Ende des Einsparpotenzials bei Elektroantrieben noch nicht erreicht

Antriebssystem Ende des Einsparpotenzials bei Elektroantrieben noch nicht erreicht

28.07.2017 Von Stefanie Michel

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Es gibt viele effiziente Elektromotoren, aber das genügt nicht. Die von der EU festgelegten Emissionsziele lassen sich damit nicht erreichen. Vielmehr müssen ganze Antriebssysteme hinsichtlich ihrer Energieeffizienz betrachtet werden. Und hier steckt das Einsparpotenzial: in der Drehzahlregelung und der Motorentechnik.

Erstmals veröffentlicht am 10.11.2015

Angesichts der vielen Jahre, die das Thema die Industrie und die Antriebstechnikhersteller beherrscht, könnte man denken, Energieeffizienz sei ein alter Hut. Schließlich ist die Wirkungsgradnorm für Elektromotoren seit einigen Jahren in Kraft und ambitionierte Motorenhersteller bieten bereits Motoren in der Wirkungsgradklasse IE4 oder gar IE5 an – ungeachtet der Tatsache, dass es letztere gar nicht gibt. Das ist doch sehr fortschrittlich, oder nicht? Wer sich allerdings die vom ZVEI veröffentlichten Zahlen ansieht, wird zweifeln: Die Industrie in Europa verbraucht jährlich insgesamt etwa 1036 TWh Strom, davon 650 TWh für Elektromotoren und elektrische Antriebssysteme. In den Antriebssystemen steckt ein Einsparpotenzial von 89 TWh, aber nur 17 TWh lassen sich über effiziente Motoren realisieren. Der größte Teil dagegen erschließt sich mit drehzahlgeregelten Antrieben.

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Vor allem mit drehzahlgeregelten Antrieben, die im Teillastbereich betrieben werden – Pumpenanwendungen sind ein gutes Beispiel – lassen sich schnell hohe Energieeinsparungen erreichen.

Einsparpotenziale bei elektromotorisch angetriebenen Systemen.

Michael Burghardt: „Man muss bedenken, dass nur etwa 25 % aller Antriebe bisher mit Frequenzumrichter ausgestattet sind.“

Klaus Sirrenberg: „Ob ein IE2-Motor plus Frequenzumrichter, ein IE3- oder IE4-Asynchronmotor oder ein IE5-PM-Motor die optimale Lösung ist, kann erst eine genaue Analyse der Anwendung entscheiden.“

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Energieeffizienz betrachtet jetzt auch das System

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Seit Anfang des Jahres ist sie nun in Kraft getreten: die neue europäische Energieeffizienznorm EN 50598 mit dem Titel „Ökodesign für Antriebssysteme, Motorstarter, Leistungselektronik und deren angetriebene Einrichtungen“. Anders als in der Motorenverordnung 640/2009/EU werden hier die Wirkungsgradanforderungen auf die komplette Arbeitsmaschine, also hin zum System, ausgedehnt. Während der erste Teil der Norm den Einbau eines Frequenzumrichters (werden hier Complete Drive Module, CDM, genannt) und Motors bestimmt, definiert der zweite Teil die Bewertung der Energieeffizienz von Antriebs- und Motorsystemen (hier: Power Drive System PDS) und zeigt auf, wie deren Verluste zu ermitteln sind.

Nach dieser EN 50598-2 werden nun auch Frequenzumrichter in Effizienzklassen unterteilt: IE1 ist der Referenzwert , also ein dreiphasiger Spannungszwischenkreis-Umrichter mit Zwei-Level-Technik auf dem „Stand der Technik“. Dessen Verluste im Betriebspunkt bei 90 % Aussteuergrad und 100 % drehmomentbildendem Strom müssen bestimmt werden, um die entsprechende Effizienzklasse festzulegen. Übersteigen die Verluste den Referenzwert um mehr als 25 %, fällt er in die Klasse IE0. Liegen die Verluste des Frequenzumrichters um mehr als 25 % unter dem Referenzwert für Klasse IE1, erfolgt die Einstufung in die Klasse IE2. Die EN 50598 gilt für Frequenzumrichter in Antriebssystemen mit Asynchronmotoren im Leistungsbereich von 0,12 bis 1000 kW und im Spannungsbereich von 100 bis 1000 V. Ausgenommen sind rückspeisefähige Umrichter.

Der Kern dieser Norm ist jedoch, dass es nun auch möglich ist, ganze Antriebssysteme hinsichtlich ihrer Energieeffizienz zu bewerten. Auch hier dient ein System aus Motor und Umrichter als Referenz. Liegen die Verluste des Motorsystems ± 20 % der Verluste des Referenzsystems, wird es der Klasse IES 1 zugeordnet. Sind die Verluste geringer, fällt es in Klasse IES 2. Bei Verlusten von mehr als 20 % des Referenzsystems wird das Antriebssystem als IES 0 spezifiziert.

Nicht alleine den Elektromotor für Energieeinsparung betrachten

Der Motor alleine macht also noch keinen energieeffizienten Antrieb. Zudem ist es damit auch nicht möglich, die Einsparziele, die sich die EU mit der ErP-Richtlinie gesetzt hat, zu erreichen: bis 2030 40 % weniger CO₂-Emissionen als 1990. Deshalb war es an der Zeit, dass sich die gesetzlichen Anforderungen nicht nur auf die Wirkungsgrade von Asynchronmotoren stützen; solche Motoren zwischen 7,5 und 375 kW müssen seit dem 1. Januar 2015 bereits die Anforderungen der Effizienzklasse IE3 erfüllen, wenn sie nicht mit Umrichter betrieben werden. Als weitere Maßnahme trat Ende 2014 die Norm EN 50598 in Kraft, die nicht mehr nur die Motoren betrachtet, sondern das gesamte Antriebssystem.

Das ist prinzipiell ganz im Sinne der Hersteller von Motoren und Frequenzumrichtern. Man ist sich einig, dass mit drehzahlgeregelten Antrieben eine schnelle und recht hohe Einsparung erreicht werden kann – wenn sie im Teillastbereich betrieben werden. Gerade bei Pumpen und Lüftern ist das sinnvoll. Doch nicht überall ist die Drehzahlregelung mit Frequenzumrichter die beste Lösung. Arbeiten die Motoren ständig unter Volllast, ist ein geregeltes Hochfahren mit Sanftstarter besser und sparsamer. Dennoch steckt zunächst ein riesiges Potenzial in der Drehzahlregelung. Michael Burghardt, Produktmanager bei Danfoss: „Man muss bedenken, dass nur etwa 25 % aller Antriebe bisher mit Frequenzumrichter ausgestattet sind und die Verbände davon ausgehen, dass in 50 bis 60 % aller Motoren eine Drehzahlregelung sinnvoll ist.“