Energieeffiziente Elektromotoren und Pumpen als Querschnittstechnologien – Teil 10 der Serie Energieeffizienz einfach erklärt

Elektromotoren und Pumpen gehören zu den wichtigsten sogenannten „Querschnittstechnologien“, wie zentrale Komponenten für andere Technologien, die in vielen Wirtschaftszweigen relevant sind, genannt werden. Motoren und die mit ihnen verbundenen Antriebssysteme (zu denen auch Pumpensysteme gehören) treiben etwa Förderbänder, Druckluft-, Kälte- und Lüftungsanlagen (Ventilatoren) sowie Pumpen an, die z.B. in Abfüllanlagen, Heiz- und Kühlkreisläufen, Kühl- und Schmiersystemen von Maschinen oder in Förderanlagen für Flüssigkeiten und Gase zum Einsatz kommen. In der Industrie beträgt der Stromverbrauch für mechanische Antrieb 22 Prozent des gesamten Energieverbrauchs; in Gewerbe, Handel und Industrie knapp 10 Prozent. Das wirtschaftliche Einsparpotenzial beträgt 20 – 30 Prozent. In diesem Beitrag soll es um das Thema Elektromotoren und Pumpen gehen und wie Sie bei diesen Querschnittstechnologien Ihre Energieeffizienz verbessern können.

Weitere Beiträge aus unserer Serie Energieeffizienz einfach erklärt:

Teil 1: Dies ist die Bedeutung der Energieeffizienz
Teil 2: Von der Energieeffizienz zur Energiequalität
Teil 3: Was ist Entropie und wie steht diese im Zusammenhang mit Energie?
Teil 4: Was ist Energie und welche Bedeutung hat sie?
Teil 5: Energieverbrauch in Deutschland – relevante Einsparpotenziale in Wirtschaft und Industrie
Teil 6: Die Prozesswärme in der Industrie als größter Energieverbraucher
Teil 7: Abwärmenutzung in der Industrie – Ermitteln Sie Ihre Potenziale mit der Pinch Analyse
Teil 8: Raumwärme und Warmwasser als Energieträger – So verbessern Sie Ihre Energieeffizienz
Teil 9: So verbessern Sie Ihre Energieeffizienz bei der Nutzung von Prozesskälte und Klimakälte
Teil 10: Energieeffiziente Elektromotoren und Pumpen als Querschnittstechnologien
Teil 11: So verbessern Sie Ihre Energieeffizienz durch energieeffiziente Beleuchtung am Arbeitsplatz
Teil 12: Energieeffizienz in der Informations- und Kommunikationstechnik
Teil 13: Energieeffizienz im Verkehr

Energieträger von Querschnittstechnologien

Für ortsfeste mechanische Antriebe ist Strom der mit großem Abstand wichtigste Energieträger, nur Gas spielt in der Industrie mit einem Anteil von 4 Prozent noch eine Rolle. Der Stromverbrauch für Elektromotoren und Pumpen in 2015 betrug in der Industrie fast 70 Prozent des gesamten Stromverbrauchs (Abb. 1). Da Strom ein teurer Energieträger ist und Elektromotoren – vor allem die weitverbreiteten Dreh-strom-Asynchronmotoren – preiswert, robust und wartungsarm sind, haben die Energiekosten von Motoren einen sehr hohen Anteil an den gesamten Lebenszyklus-kosten – dieser beträgt bis zu 96 Prozent. Elektromotoren sind damit ein gutes Beispiel dafür, dass vor (Ersatz-)Investitionen immer die Energiekosten für die erwartete Lebensdauer betrachtet werden sollten.

Energieanwendung von Elektromotoren und Pumpen

Elektromotoren sind enorm vielfältig: ihr Leistungsbereich reicht von kleinsten Motoren, die etwa in elektronischen Armbanduhren zu finden sind, bis zu riesigen Motoren mit über 100 MW Leistung, wie sie etwa in Pumpspeicherkraftwerken eingesetzt werden. Sie erreichen Drehmomente bis über 10 Mio. Nm, so dass sie z.B. Erzmühlen antreiben können, sowie Drehzahlen von über 100.000/min, wie sie etwa für Gaszentrifugen gebraucht werden. In Industrie, Gewerbe und Handwerk ist es ein großer Vorteil, dass sie keine Abgase und wenig Abwärme und Lärm produzieren. Hohe Lebensdauer, geringer Wartungsbedarf, gute Steuerungs- und Regelungsmöglichkeit sowie sofortige Betriebsbereitschaft und volle Belastbarkeit sind weitere Vorteile, die die Dominanz der Elektromotoren bei stationären Antrieben (und ihre Rolle bei einigen mobilen Antrieben, siehe Gabelstapler und andere elektrische Flurförderzeuge) erklären. Elektromotoren treiben, wie in der Einleitung bereits dargestellt, Maschinen, Lüfter, Pumpen, Hebezeuge und Verdichter sowie Aufzüge, aber auch Werkzeuge, an. Immer mehr Bedeutung gewinnen kleine Elektromotoren etwa als Servo-oder Stellantriebe.

Elektromotoren als Energiewandler und energieeffiziente Querschnittstechnologien

Elektromotoren wandeln elektrische in mechanische Energie um. Hierfür nutzen sie die Magnetfelder, die durch stromdurchflossene elektrische Leiter erzeugt werden sowie die Anziehungs- und Abstoßungskräfte von Magnetfeldern aus. Das erste durch Elektromagnetismus angetriebene sich drehende Gerät baute 1822 der Engländer Peter Barlow (das„Barlowsche Rad“), der heutige Elektromotor wurde jedoch aus der 1866 von Werner Siemens erfundenen „Dynamomaschine“ (einem Generator) heraus entwickelt.
Das Funktionsprinzip: Ein auf einer Drehachse beweglich angebrachter Rotor, der sich in einem Magneten (dem „Stator“) befindet, wird durch Stromfluss magnetisiert und damit polarisiert. Bei richtiger Polung (der Nordpol des Rotors liegt beim Nordpol des Stators) versetzt die Abstoßungskraft der Magnetpole den Rotor in eine Drehung. Damit diese nicht wieder zum Stillstand kommt, sobald der Nordpol des Rotors beim Südpol des Stators angekommen ist, wird in diesem Augenblick der Rotor umgepolt (das übernimmt der „Kommutator“ [Stromwender], der sich mit der Rotorachse dreht und in diesem Augenblick die Stromversorgung des Ankers kurz unterbricht und dann mit umgekehrter Polarisierung wiederherstellt, siehe Abb. 2).

Die meisten heute in Industrie und Gewerbe verwendeten Elektromotoren sind allerdings Wechselstrommotoren, bei denen auf den Kommutator verzichtet werden kann, wenn die Umdrehung im Rhythmus des Wechselstroms erfolgt. Beim heute verbreitetsten Motortyp, dem Drehstrom-Asynchronmotor mit Käfigläufer, benötigt der Rotor auch keine Stromzuführung mehr, sondern wird durch Induktion magnetisiert. Hierdurch ist er besonders kostengünstig und wartungsarm. Käfigläufer-Motoren besitzen aber einen hohen Einschaltstrom, dem mit speziellen Anlassverfahren (die ggf. mit dem Energieversorger abzustimmen sind) entgegengewirkt werden muss. Ein Betrieb mit Frequenzumrichtern ermöglicht eine stufenlose Drehzahlregelung bei vollem Drehmoment, was ihren Einsatzbereich wesentlich erweitert.

Effizienzpotenzial von Querschnittstechnologien

Mit der VO (EG) Nr. 640/2009 zur „Festlegung von Anforderungen an die umweltgerechte Gestaltung von Elektromotoren“ wurden Mindestanforderungen an die Energieeffizienz der weitverbreiteten Käfigläufer-Induktionsmotoren eingeführt, die seit dem 16. Juni 2011 gelten. Die aktuelle Stufe gilt seit dem 1. Januar 2017, seither dürfen bei einer Nennausgangsleistung von 0,75 – 375 kW nur noch Motoren in Verkehr gebracht werden, die entweder dem Effizienzniveau IE 3 oder IE 2 entsprechen und mit einer Drehzahlregelung ausgestattet sind. Das Effizienzniveau muss in den technischen Unterlagen zu den Elektromotoren und auf frei zugänglichen Webseiten des Herstellers angegeben werden. Diese Effizienzniveaus entsprechen einem Mindestwirkungsgrad, der von Polzahl und Nennausgangsleistung abhängig ist. Beispielsweise entspricht IE 2 bei 4-poligen Motoren mit einer Nennausgangsleistung > 200 kW einem Wirkungsgrad von 95,1 Prozent, IE 3 für diese Motoren einem von Wirkungsgrad von 96 Prozent (Wirkungsgrad ist bei Elektromotoren das Verhältnis der mechanischen Ausgangsleistung zur elektrischen Eingangsleistung). Beste verfügbare Technik ist das Effizienzniveau IE 3 mit Drehzahlregelung, Motoren mit dem Effizienzniveau IE 4 sind noch kaum auf dem Markt verfügbar. Eine wichtige Maßnahme zur Verbesserung des Wirkungsgrades ist die Vergrößerung des Leiterquerschnittes insbesondere in den Kupferdrähten der Motorwicklung (geringere Erwärmung der Drähte), die allerdings zur Erhöhung des Kupferverbrauchs bei der Produktion führt (für jedes Prozent Wirkungsgradverbesserung etwa 3–6 Prozent). Die EU hofft, mit der Verordnung bis 2020 insgesamt 135 TWh (=135 Mio. MWh) Strom einzusparen. Aber nicht nur die Motorenhersteller haben Einsparpotenzial, sondern auch die Verwender. Eine wichtige Stellgröße ist die richtige Dimensionierung des Motors. Bei Arbeitsmaschinen sollte zunächst das System (Drucklufterzeugung, Kühlung etc.) optimiert werden, da sich Einsparungen am Ende des Systems auf die vorgelagerten Komponenten wie die Motoren auswirken. Bei diesen sind zum einen die Anforderungen zu beachten, welche die Aufgabe an den Antrieb stellt; der Leistungsbedarf muss jederzeit gedeckt sein. Im Dauerbetrieb darf der Motor sich dabei nicht über die zulässige Grenze erwärmen; ansonsten reduziert sich die Lebensdauer. Ein sparsamer Energieverbrauch wird durch den Betrieb in einem günstigen Lastbereich erreicht. Hier sind zwei Faktoren zu beachten:

• in welchem Bereich der Wirkungsgrad am höchsten ist (die Nenneffizienz muss nach VO (EG Nr. 640/2009 bei 100 Prozenz, 75 Prozenz und 50 Prozenz Nennlast angegeben werden) und
• der mit der Nennleistung steigende Wirkungsgrad.

Im Zweifel sollte die Leistungsaufnahme der möglichen Motoralternativen bei der gewünschten Nennleistung verglichen werden. Eine stufenlose Drehzahlregelung stellt zudem eine effiziente Anpassung der Leistung an den Bedarf sicher. Bei Motoren, die häufig in den Bremsbetrieb wechseln (etwa Aufzüge oder Zentrifugen), kann zudem der Motor im Bremsbetrieb als Generator genutzt werden und die zurückgewonnene mechanische Energie wieder als Strom in das Netz eingespeist werden. Bei Antrieben spielt auch die Art der Kraftübertragung eine Rolle: Am effizientesten ist eine direkte Kraftübertragung. Ist eine indirekte Kraftübertragung etwa zur Anpassung der Drehzahl nötig, wird zwischen Zugmittel- und Zahnradgetrieben unterschieden. Zugmittel wie Zahnriemen und Ketten sind einfach und preiswert, sie erreichen trotzdem hohe Wirkungsgrade von bis zu 98 Prozent, Keilriemen etwas weniger. Zahnradgetriebe werden zumeist zur Übertragung zwischen zwei Drehungen verwendet. Geschlossene Zahnradgetriebe sind weniger verschmutzungsanfällig und damit weniger wartungsbedürftig – regelmäßige Wartung und Instandhaltung sind bei allen Getrieben wichtig für die Energieeffizienz. Bei Pumpensystemen ist die sach- und fachgerechte Auslegung des Gesamtsystems entscheidend für seine Energieeffizienz: Besonderen Einfluss hat der Rohrleitungsdurchmesser – je größer, desto energieeffizienter. Grenzen setzen neben den Investitions- und Montagekosten vor allem die erforderlichen Fördergeschwindigkeiten (und bei diskontinuierlichem Betrieb die verbleibenden Restmengen bei Entleerung oder Produktwechsel). Bei kompakten Systemen spielen,auch die Armaturen eine große Rolle – ein Kniestück von 100 mm Durchmesser entspricht etwa 7 m Rohrlänge. Eine Rolle spielen auch große Anlagenkomponenten wie Wärmetauscher oder Filter sowie die Aufstellung von Maschinen und Behältern – hohe, schmale Tanks zu befüllen kostet mehr Energie als das Befüllen breiter und flacher Tanks.

Energieeffiziente Motoren und Pumpen sparen Geld

Auch wenn der Unterschied im Wirkungsgrad zwischen IE 2 und IE 3 gering erscheint: aufgrund der langen Lebensdauer insbesondere größerer Elektromotoren kann der Unterschied bei den Stromkosten – abhängig von Betriebsdauer uns Strompreis – über die Lebensdauer des Motors mehrere Tausend Euro ausmachen (bei einem 55 kW-Motor [4-poli, 50 Hz], einer Betriebsdauer von 4.000 h/a und einem Strompreis von 14 Cent/kWh über 20 Jahre z.B. 8.000 Euro). Die Mehrinvestition kann also eine gute Kapitalrendite erbringen. Noch besser ist diese aufgrund des hohen Anteils der Energiekosten an den Lebenszykluskosten bei einem Austausch alter, weniger energieeffizienter Motoren.

Und nun, viel Erfolg bei der Verbesserung Ihrer Energieeffizienz!
Ihr Jürgen Paeger 

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