Weniger Energieverbrauch in der Industrie beginnt beim Motor

Die aktuell geltende Ökodesign-Norm, die im Oktober 2019 erlassen wurde, ist die Verordnung EU 2019/1781. Sie beschreibt zwei Phasen zur Steigerung der Energieeffizienz und gilt für Niederspannungs-Induktionsmotoren mit weniger als 1.000 V Wechselspannung (AC) und für drehzahlvariable Antriebe, die auch als Motoren mit Frequenzumrichter (FU) bekannt sind. Vgl. Abbildung 2 mit einer Übersicht über die IE-Normen.

In Phase 1 wird IE3 verbindlich

Ab Juli 2021 gilt: 

• Alle Motoren mit 0,75 kW – 1000 kW, 2-4-6-8-polig, müssen die Vorgaben der IE3 Premium Effizienz-Klasse erfüllen. Es ist nicht mehr möglich, einen IE2-Motor mit einem Frequenzumrichter zu kombinieren, um die IE3-Effizienzstufe zu erreichen. 
• Die Verordnung gilt für eintourige Drehstrommotoren 50 Hz, 60 Hz, 50/60 Hz für Direktbetrieb mit Dauerbetrieb definiert als S3 ≥ 80 % und S6 ≥ 80 %.
• Die Verordnung gilt auch für Motoren, die bisher unter eine Ausnahme fielen, z. B. für ATEX-Motoren der Schutzarten EX ec, EX d, Ex de, Ext, Motoren mit IC418-Kühlung und Bremsmotoren mit externer Bremse.
• Für Drehstrommotoren mit Nennleistungen ab 0,12 kW, jedoch unter 0,75 kW ist die Effizienzklasse IE2 vorgeschrieben. 
• Ausserdem müssen alle Frequenzumrichter zwischen 0,12 und 1.000 kW eine Verlustleistung aufweisen, die mindestens der Klasse IE2 entspricht. 

Es gibt einige wenige Ausnahmen, die in Abbildung 3 dargestellt sind.

Da ein so hoher Anteil - 97 % - der Gesamtbetriebskosten allein auf die Stromkosten entfällt, liegt es auf der Hand, dass hier die grössten Erträge erzielt werden können. Die Betrachtung der Gesamtbetriebskosten (TCO) statt nur der Anfangsinvestition ist also ein entscheidender Punkt, wenn es um Kosteneinsparungen geht. 

Beispielsweise betragen die Kosten für einen typischen vierpoligen IE4-Motor mit 55 kW 3.264 €, die Energiekosten für den Betrieb dieses Motors rund um die Uhr belaufen sich jedoch auf stolze 50.206,90 € (bei angenommenen Energiekosten von 0,1 €/kWh) (siehe Abbildung 4). 

Sie könnten in Versuchung geraten, sich für die Ausrüstung mit den geringsten Kapitalkosten zu entscheiden, weil das vielfach als der «bessere Deal» angesehen wird. Solche direkten Kosteneinsparungen können sich jedoch als Nachteil für die Rendite erweisen. Die Entscheidung für Produkte mit höherer Energieeffizienz bedeutet, dass die Lebenszykluskosten reduziert werden, was langfristig den Cashflow verbessert.

Fällt ein Motor aus, wird häufig eine Reparatur in Betracht gezogen. Dies wird oft als schnelle Lösung angesehen und kann auf den ersten Blick deutlich weniger kosten als ein neuer Motor (je nach der erforderlichen Reparatur). 

Langfristig kann sich das als unwirtschaftlich erweisen: ein 20 Jahre alter Motor, der regelmässig gewartet und repariert werden muss, kostet auf lange Sicht mehr. Der Austausch eines älteren Motors gegen einen moderneren, der möglichst energieeffizient konstruiert ist, wird sich auf lange Sicht auszahlen. Wenn Ihr Motor ausfällt, müssen Sie ihn entweder reparieren oder einen neuen Motor kaufen. Die minimale Investition, die Sie tätigen müssen, sind also die Reparaturkosten. 

Wenn Sie sich für einen neuen Motor entscheiden, können Sie die Reparaturkosten vom Preis des neuen Motors abziehen, wodurch sich der Gesamtbetrag der Investition, die sich amortisieren muss, verringert und der Return on Investment (ROI) verbessert wird.

Bei einer Anwendung in der Lebensmittelindustrie hat sich beispielsweise der Austausch eines alten Lüftermotors durch einen neueren, effizienteren Motor als kostengünstiger erwiesen, bei einer Amortisationsdauer von nur 10 Monaten. Der vorhandene Motor hatte eine Leistung von 110 kW und einen Wirkungsgrad von 91,6 %, und die Reparatur sollte 3.950 € kosten. Der neue 90-kW-IE3-Motor von WEG hatte einen Wirkungsgrad von 95,6 % und Investitionskosten von 6.745 €. Die in Abbildung 6 dargestellten Einsparungen belaufen sich über die gesamte Lebensdauer des Motors auf 65.840 € und die CO₂-Emissionen auf 196 Tonnen.

Die Auswahl des richtigen Motors ist der Schlüssel zur Verbesserung der Zuverlässigkeit und Energieeffizienz, aber es gibt noch weitere Möglichkeiten, den Energieverbrauch und die Wartungskosten zu reduzieren. Um eine maximale Kosteneinsparung zu erzielen, sollte auch der gesamte Antriebsstrang betrachtet werden. Die Kooperation mit zuverlässigen Partnern, die sich mit energieeffizienten Lösungen gut auskennen, kann sich auszahlen, wenn man herausfinden möchte, wo sich Einsparungen am besten erzielen lassen. 

Zum Beispiel können Frequenzumrichter eine wichtige Rolle bei der Effizienzsteigerung spielen, wobei sie auch noch eine zuverlässige Leistungsabgabe gewährleisten und die Wartungskosten senken. Die Investition in hocheffiziente Elektromotoren in Kombination mit Frequenzumrichtern kann zu Betriebskosteneinsparungen von bis zu 20 % führen. 

Die grössten Einsparungen lassen sich bei Anwendungen mit quadratisch ansteigendem Antriebsmoment erzielen, z. B. bei Kreiselpumpen oder bei Lüftern, die den Durchfluss mit einem Drosselventil regeln. Wird der Drosseleffekt abgeschwächt und die Motordrehzahl stattdessen mit einem Wechselrichter reguliert, lassen sich enorme Einsparungen erzielen. Sie sind viel höher als bei einer Verbesserung der Motoreffizienz. ERIKS kann bei der Berechnung dieser Einsparungen und des damit verbundenen ROI sowie bei der Durchführung des Motoraustauschs behilflich sein.

Ausserdem ist eine kritische Bewertung der Motorgrösse wichtig, um festzustellen, ob für die zu erledigende Aufgabe die richtige Ausrüstung verwendet wird. Zum Beispiel: Verfügt die Anwendung über die richtige Motorgrösse, oder kann eventuell auch ein kleinerer, effizienterer Motor verwendet werden? Hier sind Leistungsanalysatoren von entscheidender Bedeutung. Mit ihnen lässt sich die im System tatsächlich abgerufene Leistung messen, sodass die Motoren entsprechend dimensioniert werden können. Der Grund dafür ist, dass der Wirkungsgrad eines Elektromotors exponentiell abfällt, wenn die Last unter 70 % der Nennlast sinkt. Vor allem früher, teils aber auch heute noch neigen einige Hersteller dazu, den Motor grösser als notwendig zu dimensionieren, weil sie kein Risiko eingehen wollen. 

Wir können darüber hinaus andere Elemente des Antriebsstrangs überprüfen, die ebenfalls Energie verbrauchen und die Gesamteffizienz verringern. So sind Ketten und Riemen oft nicht perfekt dimensioniert, manchmal sogar überflüssig. Wir sind in der Lage, den gesamten Antriebsstrang zu analysieren und dem Kunden das im Hinblick auf seine Bedürfnisse ideale Setup vorzuschlagen. 

Bei einer Anwendung in einem Molkereiunternehmen wurde ein 30 Jahre alter 4-Pol-Motor mit 132 kW zum Betrieb eines Kühlkompressors verwendet. Bei einer Leistungsanalyse zeigte sich aber, dass der Motor nur 88,9 kW Strom verbrauchte. Der Motor lief 8.000 Stunden pro Jahr mit einem Gesamt-Energieverbrauch von 711.200 kWh. Die Stromkosten betrugen 0,06 ct/kWh und die daraus resultierenden Gesamt-Energiekosten 42.672 € pro Jahr. 

Die Leistungsanalyse wies nach, dass der Motor nur etwa 90 kW benötigte, und so konnte das Unternehmen den Motor durch einen kleineren, energieeffizienteren IE3-Motor mit 90 kW ersetzen. Nach der Installation wurde eine weitere Energiemessung durchgeführt. Sie zeigte, dass der Stromverbrauch noch weiter auf 82,5 kW reduziert wurde. Der Gesamt-Energieverbrauch lag nun bei 660.000 kWh und die Kosten betrugen 39.600 € pro Jahr.

Durch die Investition in einen neuen, kleineren IE3-Motor konnte das Unternehmen also ganze 3.072 € pro Jahr sparen. Der Return on Investment (ROI) war nach 1,92 Jahren erreicht.