Auf dem Weg in die IE5-Ära für Energieeffizienz

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Von Caroline Hayes

Veröffentlicht am Dienstag, 14. März 2023

Während die Maschinenbaubranche nach nachhaltigen, wirtschaftlichen Wegen für eine stärkere Automatisierung sucht, stellt sich die Frage: Was steht einer breiteren Einführung des IE5-Motors entgegen?

Motoren wandeln elektrische Energie in mechanische Energie um, um Teile anzutreiben. Heute sind sie allgegenwärtig, Schätzungen zufolge sind allein in der EU über acht Milliarden Elektromotoren im Einsatz. Sie sind in allen Größen für den Einsatz in Haushalten, Büros, Fabriken, Krankenhauseinrichtungen und Fabrikeinrichtungen erhältlich.

Sie machen schätzungsweise über 50 Prozent des weltweiten Stromverbrauchs aus, und mit steigenden Kraftstoffpreisen ist ein energieeffizienter Betrieb sowohl zu einem wirtschaftlichen als auch zu einem ökologischen Problem geworden. Die Bereitstellung energieeffizienterer Motoren wird zur Reduzierung der CO2-Emissionen beitragen und den Ländern dabei helfen, ihre Netto-Null-Ziele zu erreichen.

Industriemotoren werden zur Steuerung von Drehmoment und Geschwindigkeit an Förderbändern, Roboterarmen, fahrerlosen Transportfahrzeugen und in Kompressoren zur Regulierung des durch Rohre fließenden Luft-, Gas- oder Flüssigkeitsvolumens eingesetzt.

Sie sind in IE-Klassen (International Efficiency) eingeteilt, wobei jede Effizienzstufe 10 bis 20 Prozent weniger Energieverluste im Motorbetrieb verursacht (siehe Kasten unten).

Die IE5-Klasse ist für Motoren für den Betrieb mit variabler Drehzahl definiert. Richard Gee, UK-Verkaufsleiter für Motoren und Generatoren bei ABB, sagt, dass IE5-Motoren bis zu 50 Prozent geringere Energieverluste erzeugen als gleichwertige IE2-Motoren und 20 Prozent geringere Verluste im Vergleich zu IE4-Motoren.

Synchronmotoren können Permanentmagnete verwenden oder durch magnetische Reluktanz ein Drehmoment erzeugen. Heute sind IE5-Permanentmagnetmotoren (PM), IE5-Synchronreluktanzmotoren und IE5-PM-unterstützte Synchronreluktanzmotoren erhältlich. Es wird an der Entwicklung eines IE5-Induktionsmotors (oder Asynchronmotors) gearbeitet, aber es ist schwierig, einen so hohen Wirkungsgrad zu erreichen, sagt Norbert Hanigovszki, Direktor für Antriebsintelligenz bei Danfoss.

Die Art des verwendeten Magneten beeinflusst die Kosten und die Größe eines Motors. In Permanentmagneten verwendete Seltenerdmaterialien seien knapp und geopolitisch heikel, da die meisten in China abgebaut würden, erklärt Hanigovszki. Ferrit ist ein billigerer Magnet, aber er ist schwächer, was zu einem größeren Motor führt.

Schätzungen gehen davon aus, dass IE5-Motoren heute höchstens 1 Prozent des gesamten Motorenmarktes ausmachen. Ein Teil der langsamen Verbreitung könnte auf die Tatsache zurückzuführen sein, dass Regierungen keine Motoren über IE3 vorschreiben. Hanigovszki stellt fest, dass dies möglicherweise durch die geografische Lage der Automobilhersteller bestimmt wird: Danfoss, ABB und Siemens in Europa und GE und Allen-Bradley in den USA, aber keine Hersteller in China.

Daher sind IE5-Motoren ein Instrument zur Differenzierung von Produkten, werden jedoch eher als Luxus-Upgrade denn als Notwendigkeit angesehen. Angesichts der Tatsache, dass ein IE5-Motor speziell und zu einem hohen Preis hergestellt werden muss und unter Berücksichtigung der Tatsache, dass Einsparungen möglicherweise nicht sofort realisiert werden, sollten die Gesamtkosten des Projekts berücksichtigt werden, nicht nur die Anschaffungskosten des Motors, rät Hanigovszki.

Dies gilt insbesondere für kommunale Projekte, bei denen IE5-Motoren Betriebskosten und Energieverbrauch einsparen können, für große Projekte, bei denen Motoren mit Teillast oder Teilgeschwindigkeit betrieben werden, wie z. B. Heizung, Lüftung und Klimaanlage (HLK), Frischwasserpumpen und Abwasseraufbereitung. Laut Hanigovszki ist der Strom, der für die Wasserversorgung von Städten und Gemeinden verwendet wird, in der Regel der höchste Strompreis, sodass die Einsparungen erheblich sein werden.

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Motoren sind für eine Betriebsdauer von mindestens 20 Jahren ausgelegt, Gesamtkosteneinsparungen können jedoch relativ schnell realisiert werden. ABB nennt als Beispiel einen 110-kW-Motor, der mit 1.500 U/min läuft. Der Unterschied in den Anschaffungskosten seines IE5-Motors und eines IE3-Motors „ist im Vergleich zu den jährlichen Energiekosteneinsparungen vernachlässigbar“. Das IE5-Motorenpaket amortisiert die Kostendifferenz nach etwa 13 Monaten. Darüber hinaus werden über die gesamte restliche Nutzungsdauer hinweg jährliche Einsparungen erzielt. Innerhalb von etwa zehn Jahren werde der reduzierte Energieverbrauch die Anschaffungskosten des gesamten IE5-Pakets decken, so das Unternehmen.

Ein IE5-Synchronmotor ist kleiner als ein IE3- oder IE3-Induktionsmotor, daher ist bei der Umrüstung auf das Energieeffizienzmodell möglicherweise eine Neukonstruktion erforderlich. Die Verkabelung und Spannungsbalance zwischen den Motoren ist gleich.

Ein IE5-Synchronreluktanzmotor hat die gleiche Größe wie ein IE2-Induktionsmotor, daher sind für eine Nachrüstung keine mechanischen Änderungen erforderlich. „Funktionell funktioniert er auf die gleiche Weise wie jeder Induktionsmotor und daher sind keine besonderen Anforderungen zu berücksichtigen, da er baugleich ausgetauscht werden kann“, sagt Gee von ABB.

Um den Wirkungsgrad IE5 zu erreichen, ist jedoch ein Antrieb mit variabler Drehzahl erforderlich. Diese müssen ein aufeinander abgestimmtes Paket sein, also vom gleichen Hersteller und untereinander kompatibel sein, rät er.

„Ein Antrieb mit variabler Drehzahl kann zu Einsparungen führen, die weit über denen der höheren Effizienz des IE5-Motors liegen, denn wenn man die Drehzahl des Motors an die Drehzahl der Anwendung anpasst, spart man enorm viel Energie.“ sagt Hanigovszki. Typischerweise können durch den Umstieg von einem Motor mit fester Drehzahl Einsparungen zwischen 15 und 40 Prozent erzielt werden, beispielsweise bei Lüftern, Pumpen und Kompressoren. Der Einsatz eines IE5-Motors bietet bis zu 30 °C niedrigere Wicklungstemperaturen und bis zu 15 °C geringere Lagertemperaturen Temperatur als ein IE2-Motor. Dies erhöht die Zuverlässigkeit und verlängert die Lebensdauer des Motors, sagt Gee. „Niedrigere Lagertemperaturen sind ein wichtiger Faktor zur Reduzierung der Lebenszykluskosten, da Lagerausfälle etwa 70 Prozent der ungeplanten Motorausfälle verursachen“, fügt er hinzu.

Wenn ein Motor über längere Zeiträume intermittierend oder unter Teillast verwendet wird (z. B. Lüfter und Pumpen), kann ein Antrieb mit variabler Drehzahl die Eingangsspannung und -frequenz des Motors senken, die Drehzahl reduzieren und bis zu 30 Prozent zusätzliche Energieeinsparungen bewirken .

Die relativ geringen Einsparungen beim Umstieg von einem IE1- auf einen IE5-Motor (rund 5 Prozent) könnten ein Grund dafür sein, dass die Nachrüstung mit IE5-Motoren nicht beliebt ist. „Die Amortisationszeit könnte fünf bis acht Jahre betragen, wenn nur der Motor nachgerüstet wird, wohingegen sich die Umstellung von fester auf variable Geschwindigkeit innerhalb eines Jahres amortisieren könnte“, räumt Hanigovszki ein.

Es fehle auch das Bewusstsein, fügt Gee hinzu, insbesondere hinsichtlich der Einsparpotenziale, die der Motor längerfristig erzielen kann. „Der starke Anstieg der Energiekosten hat unbeabsichtigt auch die Argumente für IE5 noch überzeugender gemacht. Je stärker die Energiekosten steigen, desto schneller amortisiert sich die Zeit“, sagt er.

Ein Beispiel ist die Zuckerraffinerie Südzucker in Belgien, die in der Hochsaison 3.000 t/h Wasser für den Rübentransport in ihrem Werk verbraucht. Die Analyse ergab jedoch, dass das größte Potenzial zur Energieeinsparung bei den Aufschnittmaschinen lag. Hier wurden sechs alte 160-kW-Asynchronmotoren durch 134-kW-SynRM-Motoren mit IE5-Einstufung von ABB ersetzt, gepaart mit Frequenzumrichtern, wodurch die Kosten für das Umspannwerk um 27,4 Prozent gesenkt und die Emissionen gesenkt wurden.

Zweifellos wird die Energiekrise die Nachfrage nach IE5-Motoren beschleunigen. Leider gebe es zu einer Energiekrise auch eine Versorgungskrise, sagt Hanigovszki, mit Lieferzeiten von rund sechs Monaten für Motoren. Die Versorgungskrise könnte dazu führen, dass Permanentmagnetmotoren an Popularität verlieren und Synchron-Reluktanzmotoren Platz machen. Möglicherweise werde auch ein Hybridmotor auf den Markt kommen, sagt er. Diese verwenden kleinere Ferritmagnete, um einen besseren Leistungsfaktor als Synchronreluktanzmotoren zu erzielen.

„Wenn man gerade genug Magneten in den Motor einbaut, ist man vielleicht am richtigen Punkt … aber andererseits kann ein optimaler Punkt viele Dinge sein. Für manche ist der Preis wichtig; Für andere ist es die Leistungsdichte und für wieder andere ist es die Effizienz, egal was es kostet.“

Der Wirkungsgrad eines Motors ist seine maximale Ausgangsleistung geteilt durch die Eingangsleistung. Kein Motor ist zu 100 Prozent effizient, aber nicht alle Motoren sind gleich.

Zur Unterscheidung der Effizienzstufen hat die IEC (International Electrotechnical Commission) fünf Effizienzklassen für Industriemotoren definiert, basierend auf der Prüfmethode der IEC 60032-30:2008. In den USA gibt es bei NEMA (National Electrical Manufacturers Association) drei Klassen: Standard, Energy Efficient und Premium Efficiency.

Die ersten vier der IEC International Efficiency (IE)-Klassen entsprechen den NEMA-Kategorien Standard Efficiency (IE1), High Efficiency (IE2), Premium Efficiency (IE3) und Super Efficiency/Super Premium Efficiency (IE4). Für IE5 gibt es kein NEMA-Äquivalent.

Motoren werden nach IEC 60034-3 geprüft, die Temperatur und Energieeffizienz regelt. Derzeit gehen die Vorschriften in der gesamten Branche auf IE3 über, obwohl sich dies ab Juli dieses Jahres ändern wird, wenn die EU Motoren zwischen 75 und 200 kW zur Einhaltung von IE4 vorschreibt. Derzeit müssen in der EU alle Motoren zwischen 0,75 und 1.000 kW IE3 erfüllen und kleinere Motoren von 0,12 bis 0,75 kW müssen IE2 oder höher sein.

Für die USA ist die erforderliche Mindeststufe für Motoren IE3 und insbesondere IE3 für mehrphasige Motoren von 0,18 bis 2,2 kW und IE2 für einphasige Motoren. Japan erfordert auch IE3. Australien, Neuseeland und Indien haben für Motoren von 0,75 bis 185 kW die Mindestenergieleistungsstandards IE2. China verlangt IE2 für Motoren mit 0,75 bis 375 kW.

Die Mindestanforderungen bedeuten, dass IE4- und IE5-Motoren verfügbar sind, aber auf Anfrage gefertigt werden.

Neben einem geringeren Energieverbrauch führt die höhere Effizienz zu einer längeren Betriebsdauer und geringeren Wartungskosten. Weitere Vorteile sind geringere CO2-Emissionen und eine verbesserte Luftqualität, während die geringeren Wartungs- und Ausfallzeiten die Produktivität steigern.

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