Weniger Energieverbrauch in der Industrie beginnt beim Motor

Elektromotoren sind in der Industrie allgegenwärtig und machen einen grossen Teil des Energieverbrauchs eines Unternehmens aus. In der EU sind heute ganze acht Milliarden Elektromotoren im Einsatz, die fast 50 % der gesamten in der EU produzierten Stroms verbrauchen. 

Aber wussten Sie, dass die Reduzierung des Stromverbrauchs Ihres Motors die effektivste Möglichkeit ist, Kosten zu sparen und die Gesamtbetriebskosten (TCO) Ihres Motors zu verbessern? Tatsächlich entfallen 97 % der Gesamtbetriebskosten auf die elektrischen Energieverbäuche. Der Kaufpreis für einen neuen Motor macht nur 1 % der Gesamtbetriebskosten aus, die Wartung weitere 2 %. 

Eine regelmässige Prüfung/Wartung Ihres Motors ermöglicht es Ihnen, so energie- und kosteneffizient wie möglich zu arbeiten. Bei der Überprüfung eines Motors sind jedoch viele Aspekte zu berücksichtigen, z. B. die gesetzlichen Vorgaben, die Gesamtbetriebskosten und die Motorgrösse. 

Wenn Sie einen Motor kaufen, der nur die gesetzlichen Vorgaben erfüllt, kann das Ihr Unternehmen viele tausend Euro kosten. Wenn Sie dagegen auf die Gesamtbetriebskosten achten, können Sie mit grösstmöglicher Effizienz arbeiten und die Rentabilität des Unternehmens verbessern. 

Effizienzvorschriften für Motoren verstehen

Die Energieeffizienz von Motoren hat sich seit den 1960er Jahren stark verbessert. Der Wirkungsgrad von Motoren ist von 88 % im Jahr 1960 auf 95,8 % im Jahr 2013 gestiegen (siehe Abbildung 1). 

Da Regierungen und Behörden den positiven Effekt energieeffizienter Elektromotoren auf die Senkung des Verbrauchs und der CO2-Emissionen erkannt haben, gelten inzwischen auf der ganzen Welt Effizienzstandards. 

Schon 1999 hat beispielsweise der Europäische Ausschuss der Elektromaschinenhersteller (CEMAP/EU) ein freiwilliges System für eine begrenzte Zahl von Motoren eingeführt. Dieses hat sich inzwischen weiterentwickelt, und im Jahr 2009 hat die Internationale Elektrotechnische Kommission (IEC) eine neue Norm veröffentlicht. Die Norm IEC 60034-30 definiert die international gültigen Energieeffizienzklassen und legt Prüfverfahren zur Bestimmung der Energieverluste fest. 

Die Energieeffizienzklassen sind wie folgt definiert:

  • IE1 – Standard-Effizienz
  • IE2 – Hohe Effizienz
  • IE3 – Premium-Effizienz
  • IE4 – Super-Premium-Effizienz 
     

Die Effizienz wird für jede Klasse für einen Nennleistungsbereich von 0,75 bis 375 kW definiert und errechnet sich aus dem Verhältnis der mechanischen Ausgangsleistung zur elektrischen Eingangsleistung. Ein IE3-Elektromotor kann einen Wirkungsgrad von ca. 96 % erreichen (je nach Leistung und Drehzahl), ein IE4-Motor erreicht einen Wirkungsgrad von ca. 97 %.

Man geht davon aus, dass bei einer künftigen Aktualisierung der Vorgaben eine noch höhere Effizienzklasse namens IE5 eingeführt wird, die so genannte Ultra-Premium-Effizienz. 

 

Wie sich die Effizienz von Motoren im Laufe der Jahre verändert hat

Abbildung 1 - Wie sich die Effizienz von Motoren im Laufe der Jahre verändert hat.

Der Energieverlust ist bei einem IE5-Motor etwa 20 % geringer als bei einem IE4-Motor. Unser Hauptlieferant WEG kann IE5-Motoren mit Standard-Asynchron-Technik für Motorleistungen ab 75 kW produzieren.

Diese Standards sind gemäss der europäischen Ökodesign-Richtlinie 2009/125/EG anzuwenden, die zur Festlegung von Anforderungen an die umweltgerechte Gestaltung energieverbrauchsrelevanter Produkte (ErPs) erlassen wurde. 

Einhaltung der aktuellen Rechtsvorschriften

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. 
Übersicht über die IE-Normen

Abbildung 2 - Berechnete Einsparung durch den Austausch eines alten Motors gegen einen effizienteren IE3-Motor

Berechnete Einsparung durch den Austausch eines alten Motors gegen einen effizienteren IE3-Motor

Abbildung 3 - Übersicht über die IE-Normen 

Weitere Effizienzsteigerung in Phase 2

Die zweite Stufe der Verordnung wird im Juli 2023 in Kraft treten und enthält folgende verbindliche Vorgaben:

  • Alle Motoren von 75 bis 200 kW, 2-4-6 polig, müssen die Vorgaben der IE4 Super-Premium-Effizienzklasse einhalten. 
  • Einphasen- und Ex eb-Sicherheitsmotoren von 0,12 bis 1000 kW müssen die Vorgaben der Effizienzklasse IE2 einhalten.


Auch wenn durch das Gesetz derzeit nur IE3 vorgeschrieben ist, sollten Sie die Investitionsrentabilität (ROI) von IE3-Motoren im Vergleich zu IE4-Motoren abwägen. IE4-Motoren haben eine etwas höhere Anfangsinvestition, aber das System bietet ein besseres Preis-Leistungs-Verhältnis und amortisiert sich durch die gesparten Energiekosten leicht von selbst. Sein ROI ist mit dem eines IE3-Motors vergleichbar. Wenn sich der Motor dann amortisiert hat, kann er weiter jedes Jahr signifikante Energiekosten einsparen, weit mehr als bei einem IE3-Motor. 

Indem Sie über die geltenden Vorschriften hinausgehen, sparen Sie nicht nur so viel Energie wie möglich, sondern machen Ihr System auch zukunftssicher gegen eventuelle Gesetzesänderungen.

Die Bedeutung der Gesamtbetriebskosten

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.

Betriebskosten von Motoren

Abbildung 4 - Betriebskosten von Motoren

Reparieren oder Austauschen

Wenn ein Motor ausfällt, wird häufig zunächst 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 aber als unwirtschaftlicher erweisen, da ein 20 Jahre alter Motor, der regelmässig gewartet und repariert werden muss, auf lange Sicht mehr kostet. 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 also für den Kauf eines neuen Motors 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 auf 65.840 € auf die gesamte Lebensdauer des Motors und 196 to CO2-Emissionen.

Weitere Faktoren zur Kostenreduzierung 

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.

Die Bedeutung der richtigen Motorgrösse

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. 

Ergebnis

Die Verbesserung der Energieeffizienz von Elektromotoren kann einen grossen Einfluss auf den weltweiten Energieverbrauch haben, CO2-Emissionen reduzieren und Betriebskosten sparen. 

Obwohl es gesetzliche Vorgaben gibt, die sicherstellen, dass in Industrieanlagen Motoren mit hoher Energieeffizienz betrieben werden, bemühen sich viele Industrieunternehmen zusätzlich darum, ihre eigenen Nachhaltigkeits-KPIs zu erfüllen, um so effizient wie möglich zu arbeiten. Eine kritische Bewertung der für die Prozesse eingesetzten Motoren kann Ihnen helfen, diese Ziele zu erreichen. 

Für die Auswahl des energieeffizientesten Motors und Systems gibt es keine allgemein gültige Methode; nur mit Hilfe von Spezialisten können Sie den grössten Vorteil erzielen. Zugriff auf das richtige Fachwissen, technisches Know-how und eine unvoreingenommene Sicht sind die wichtigsten Elemente für eine nachhaltige und kostengünstige Lösung. 

Klar ist: Jeder möchte gern Tausende Euro pro Jahr sparen, indem er einfach einen Motor ersetzt. Aber wie fängt man das an? Unsere Ingenieure können Ihnen helfen, den richtigen Motor mit der richtigen Norm, der richtigen Leistung und den höchsten Energiekostenersparnissen zu finden. 

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