Ökodesignrichtlinie: Wie Elektromotoren sparsamer werden

Ökodesignrichtlinie in der Umsetzung: Bei Energieeinsparungen muss immer das gesamte Antriebssystem inklusive Elektromotor, Getriebe und die Antriebselektronik einbezogen werden. Das Potenzial liegt hier typischerweise bei rund 30 bis 60 Prozent. Dieser Beitrag soll aber speziell die Möglichkeiten der Elektromotoren betrachten. Auf Basis offizieller OECD-Zahlen kann die Industrie zwischen den Jahren 2000 und 2017 mit 51 Prozent den größten Anteil an der erreichten Einsparung des Energieeinsatzes durch bessere Energieeffizienz für sich verbuchen. Dabei haben die Prozesswärmeerzeugung und die Nutzung elektrischen Stroms in Antrieben die größten Anteile.

Elektromotoren und die Ökodesignrichtlinie

Elektromotoren sind hinsichtlich der Ökodesignrichtlinie die relevanteste Produktgruppe, insbesondere auch für den industriellen Energieverbrauch, denn mit Elektromotoren betriebene Systeme verbrauchen etwa 70 Prozent der industriell eingesetzten elektrischen Energie. So wurden im Jahr 2015 schätzungsweise ca. 1.400 Terawattstunden elektrische Energie von Elektromotoren in mechanische Energie und Wärme umgesetzt. Deshalb existieren für Elektromotoren im Dauerbetrieb nahezu weltweit Regelwerke. Die Regulierung der Energieeffizienz schont die Ressourcen, verbessert aber auch die Wirtschaftlichkeit. Selbst einschichtig im Dauerbetrieb laufende Elektromotoren, die nach den heutigen Vorschriften (z. B. IE3) geliefert werden, spielen ihre Mehrkosten gegenüber den Investitionen für früher übliche IE1-Motoren nach kurzer Zeit wieder ein.

Als die erste Optimierungswelle anrollte

Den ersten deutlichen Schritt in Richtung Effizienzsteigerung mussten die Hersteller von Asynchronmotoren in Vorbereitung auf das Jahr 2011 machen. Damals wurde durch Inkrafttreten der Richtlinie 640/2009 (gültig bis 30. Juni 2021) die Verwendung von IE2-Motoren für den Dauerbetrieb verbindlich vorgeschrieben. Innerhalb eines Jahres verdoppelte sich dadurch die Zahl der eingesetzten IE2-Motoren, während der Einsatz von IE1-Motoren drastisch abnahm. Erstmals wurde eine nennenswerte Zahl an IE3-Motoren verkauft, aber auch deren Absatz stieg erst mit der verpflichtenden Einführung über 7,5 Kilowatt im Jahr 2015 und für alle Leistungen seit 2017. Mit der neuen Verordnung EU 2019/1781, die seit dem 1. Juli 2021 die Vorgängerregelung ersetzt, ist perspektivisch ein erheblicher Rückgang der Verkaufszahlen für IE2-Motoren zu erwarten, weil die Anwender in den Bereichen, wo die kommenden IE3-Regeln nicht eingehalten werden müssen, auf den in der Anschaffung günstigeren IE1-Motor setzen werden.

Ökodesignrichtlinie: Mit teurem Kupfer zu IE3

Mit der Vorgabe 20 Prozent der IE2-Motorverluste einzusparen, kommen viele Asynchronmotoren an ihre physikalischen und teilweise wirtschaftlichen Grenzen. In einigen Motorgrößen bedeutet das für die Hersteller den Einsatz deutlich teurer Kupfer-Rotoren, um einen Baugrößensprung zu vermeiden. Für den Getriebeanbau bedeutet der IE3-Motor, dass die Flansche durch höheres Motorgewicht stärker belastet werden. Mitte 2021 entfiel im Geltungsbereich der EU-Ökodesignrichtlinie die legale Möglichkeit den IE3-Motor durch IE2-Motoren in Kombination mit Frequenzumrichtern zu „umgehen“. Dadurch stiegen die Verkaufszahlen der IE3-Motoren stark an. Das gilt auch schon für 2-, 6- und 8-polige Motoren, auch wenn hier die Zahlen deutlich geringer sind als bei 4-poligen Ausführungen. Für die Leistungen von 75 bis 200 Kilowatt wurde in der Richtlinie bereits eine Weichenstellung für das Jahr 2023 aufgenommen, dann wird die IE4-Klasse auch für die Standard-Asynchronmotoren größerer Leistungen Realität. Mit den Baugrößen wachsen auch die Effizienzwerte. Deshalb lassen sich die Differenzen zwischen IE3- und IE4-Motoren physikalisch leichter und mit weniger Anpassungen erreichen.

Mehr Effizienz durch neue Konzepte

Kleinere Motoren effizienter zu machen, gelingt meist nur noch mit Konzeptänderungen. Nord Drivesystems geht hier den Weg mit 4-poligen IE4-Synchronmotoren, die am Umrichter betrieben werden. Sie sind äußerlich nicht von den Asynchronmotoren zu unterscheiden, passen in die Gehäusesysteme und lassen ähnliche Kombinationen mit den Standardgetrieben im Direktanbau oder im Adapteranbau zu. Auch aufgebaute Umrichter sind möglich.

Erst ein weiterer Schritt hin zu einem neuen System eines an einem Frequenzumrichter betriebenen Permanentmagnet-Synchronmotors mit einer Effizienz, die einer IE5+ entspricht, brachte weitere Chancen zur Verlustleistungsminderung: Mit der Einzelzahnwicklung wurde der kürzeste Wickelkopf Realität, der physikalisch in der klassischen Magnetflussführung machbar ist. Hinzu kam ein Eisenpaket aus hochwertigem verlustarmem Material, das der Devise folgt: Überall dort, wo Material nicht zur Flussführung gebraucht wird, kann es weggelassen werden. So bleibt Platz für die Kupferwicklung mit geringem Widerstand und kompakter Spule. Die aufgrund der 8-poligen Bauweise nötigen Frequenzen von 200 Hertz bei bis zu 3.000 min-1 sind damit noch beherrschbar. Die optimierte Rotorkontur bringt wenig Momenten-Ripple und sehr geringe Cogging-Torque-Störungen ein, so dass der Motor für die Regelung gutmütig ist – wenn auch induktivitätsarm und recht schnell in der Reaktion. Zusammen mit dem massenträgheitsarmen Rotor bietet er dem Anwender die Möglichkeit, ein häufiges Abschalten (Start-Stopp-Betrieb) zur Verlustminderung ohne große Energieverluste in den bewegten Massen zu realisieren.

Neue Motortechnik in kompakter Bauweise

Mit der neuen IE5+ Motorengeneration fokussiert Nord Drivesystems eine hohe Energieeffizienz bei gleichzeitig kompakter Bauweise. Der Synchronmotor in Baugröße 71 ist für den Leistungsbereich von 0,35 bis 1,1 Kilowatt mit einem Dauerdrehmoment von 1,6 bis 4,8 Newtonmeter und Drehzahlen von 0 bis 2.100 min-1 geeignet, Baugröße 90 für den Leistungsbereich von 1,1 bis 2,2 Kilowatt mit einem Dauerdrehmoment von 6,8 bis 10 Newtonmeter. In punkto Leistungsdichte, Zuverlässigkeit sowie Wirtschaftlichkeit will der neue IE5+ Motor Maßstäbe setzen und Performancevorteile bieten. Etwa mit der jüngsten Weiterentwicklung zum Getriebemotor Duo-Drive, dem ersten vollständig in ein einstufiges Stirnradgetriebe integrierten IE5+ Synchronmotor.

Der Autor Jörg Niermann ist Bereichsleiter Marketing bei der Nord Drivesystems Gruppe.