Auf die technische Umsetzung automa-tisierter Produktionsprozesse kam es bei der industriellen Revolution im 19. Jahrhundert an. Heute liegt der Fokus zusätzlich auf Qualitäts- und Umweltmanagement. Während diese Aspekte etabliert sind, steht das Energiemanagement am Beginn einer bedeutenden Entwicklung.
Eine wichtige Norm ist hierbei die DIN EN ISO 50001:2011, welche die bisherige DIN EN 16001:2009 ablöst. Der Verband der Hersteller von Schalt- und Steuergeräten für Niederspannung (Capiel) sieht es als zentrale Pflicht sämtlicher Unternehmen weltweit an, die Energieeffizienz zu erhöhen.
Vor diesem Hintergrund trat am 16. Juni 2011 die Ökodesign-Verordnung (EG) Nr. 640/2009 der Europäischen Kommission für Elektromotoren in Kraft. Demnach dürfen Hersteller in Europa keine IE1-Motoren mehr in Verkehr bringen. Antriebe müssen mindestens die Wirkungsgrade der IE2-Klassifizierung aufweisen. Dies gilt für Drehstrom-Asynchronmotoren mit Leistungen zwischen 0,75 kW und 375 kW mit zwei, vier oder sechs Polen im S1-Betrieb.
Nächste Verschärfung kommt
Die nächste Stufe der Ökodesign-Verordnung tritt ab 1. Januar 2015 in Kraft, eine weitere ab 1. Januar 2017. Hersteller von Maschinen und Anlagen tun also gut daran, sich schon jetzt darüber Gedanken zu machen, wie sie die Einhaltung der künftigen Regelungen am besten umsetzen. "Entscheidend ist, die Energieeffizienz produktübergreifend - also system-orientiert - zu bewerten", konstatiert Michael Reichle, Vizepräsident von Capiel.
Denn per Definition müssen ab 2015 die betroffenen Elektromotoren mit einer Nennausgangsleistung von 7,5 kW bis 375 kW das Effizienzniveau IE3 erreichen. Ab 2017 erweitert sich dieser Leistungs-bereich bis hinunter auf 0,75 kW. Alternativ dazu wird angeboten, IE2-Motoren in Kombination mit einem Frequenz-umrichter zu betreiben. "Genau hier könnte der mit der EC 640/2009-Verordnung verfolgte Energiespargedanke einen ungewollten Bruch erfahren", erklärt Capiel-Präsident Philippe Sauer.
Umrichter oder direkt am Netz?
Der Grund: Statt einer weiteren Verbesserung der produktbezogenen Energie-effizienz von IE2 auf IE3, könnte es in manchen Fällen systembedingt sogar zu einer Zunahme im Energieverbrauch kommen. Denn im Vergleich zum drehzahlgeregelten Drehstrom-Asynchronmotor verbrauchen Anwendungen weniger Energie, wenn die Motoren direkt am Netz betrieben werden. In der Praxis sieht es so aus, dass Elektromotoren oberhalb einer Last von etwa 30 Prozent der Motor-nennlast automatisch mit nahezu maximalem Wirkungsgrad arbeiten, wenn die Motoren durch Motorstarter wie Schütze oder Sanftstarter betrieben werden. Lastwechsel gleicht die selbst-regulierende Charakteristik des Elektromotors bei Fest-drehzahlanwendungen automatisch aus.
Typische Beispiele für solche schütz- oder sanftstartergesteuerten Festdrehzahlanwendungen sind Pumpenantriebe, Rühreinheiten, Förderer oder Belüftungsanlagen. Aber auch in der Klimatisierung von Gebäuden oder bei der Wasserversorgung sowie in vielen anderen Anwendungen werden konstant laufende Elektro-motoren millionenfach eingesetzt.
Zahlen aus der Praxis
Dazu ein Beispiel: Ein 37-kW-Motor treibt eine Förderanlage zum Transport von Schüttgut etwa im Bergbau mit einer konstanten Drehzahl an 3600 Stunden im Jahr an. Das Lastprofil weist eine Stillstandzeit von etwa 20 Prozent auf: Zehn Prozent der Zeit läuft der Motor mit 20 Prozent der Last, 30 Prozent der Zeit mit 40 Prozent der Last und 40 Prozent der Zeit mit 80 Prozent der Last. Bei diesem Profil erweist sich die Ansteuerlösung mit Schütz und Motor als besonders energieeffizient, denn sie benötigt in Summe 65,7 MWh pro Jahr.
Dagegen würde ein Elektromotor mit Frequenz-umrichter 70 MWh Energie verbrauchen. Fazit: Der direkte Betrieb am Netz spart 6,1 Prozent Energie. Selbst ohne Stand-by-Phase beträgt die Energieeinsparung noch 5,5 Prozent.
"Der bloße Einsatz eines Frequenz-umrichters bei einem IE2-Motor erfüllt zwar ab 2015 beziehungsweise ab 2017 die Öko-design-Verordnung", kommentiert Sauer. "Sie wäre in vielen Fällen allerdings im Sinne der Energieeinsparung kontraproduktiv." Michael Reichle ergänzt: "Vor dem Hintergrund, dass die Lebenszykluskosten von Elektromotoren zu mehr als 80 Prozent aus den Energiekosten resultieren, erweist sich eine System-betrachtung als äußerst vorteilhaft und wirtschaftlich. All dies zeigt auf, dass jede Applikation exakt auf ihre höchste Ener-gieeffizienz hin überprüft werden muss."
Wann sich IE3-Motoren amortisieren
Die Verwendung von IE3-Motoren ist in vielen Fällen jedoch trotz der höheren Kosten gegenüber Produkten nach IE2-Standard zu favorisieren. So gehen Fachleute davon aus, dass sich die höheren Einkaufspreise für die IE3-Motoren ab einer Nutzung von zirka 800 Stunden pro Jahr amortisieren, wobei neben der Systemauswahl auch die Dimensionierung entscheidend ist.
Wer seine Maschinen und Anlagen auf die künftigen Veränderungen in der Energiebetrachtung anpasst, sollte nicht nur die europäischen "Verschärfungen" erfüllen. Es gilt auch die weltweiten Anforderungen im Auge zu behalten, denn diese liegen teilweise heute schon höher und erfordern hocheffiziente IE3-Motoren. "Beispielsweise dürfen seit 2010 in die USA nur noch Motoren mit dem besonders hohen Effizienzgrad NEMA (National Electrical Manufacturers Association) Premium geliefert werden, was etwa dem IE3-Standard entspricht", berichtet Sauer. "Seit 2011 gilt das auch für Kanada."
Die Entscheidung für IE3-Motoren innerhalb des gewählten Antriebskonzepts hat über die reine Energieeffizienz sowie die Kosteneinsparung hinaus noch eine Reihe weiterer Vorteile. So besteht ohne Motorenwechsel stets die freie Wahl zwischen fester und variabler Drehzahl.
Die so erreichte geringe Varianz der eingesetzten Motoren hat überdies positive Auswirkungen auf Einkauf, Logistik, Ersatzteilversorgung und Service. Außerdem ist keine Anpassung der Konstruktion notwendig, wenn 2015 sowie 2017 die Verschärfung der europäischen Energieeffizienz-Verordnung in vollem Umfang zum Tragen kommt.
Für Philippe Sauer und Michael Reichle ist das eine klare Entscheidung: "Höchste Energieeffizienz bei den Elektromotoren sollte die Basis für ein verantwortungsvolles Engineering von Maschinen und Anlagen sein, denn Energieeinsparung kommt weltweit allen zugute."
