Nicht nur auf Effizienzklassen achten

Mit der Umstellung auf die Energieeffizienzklassen für Elektromotoren nach der Norm IEC 60034-30 ist die Unsicherheit über deren Bedeutung für den praktischen Einsatz im Automatisierungsumfeld eher gestiegen als gesunken. Um hier Transparenz zu schaffen, befragte die Redaktion im Rahmen des Trendteils „Drives & Motion" die Experten von ABB, Danfoss, Lenze, Nord Drivesystems, Rexroth, SEW-Eurodrive und Siemens.

elektro Automation: Welche Bedeutung haben die insbesondere im Bereich der Normmotoren wichtigen neuen Energie-effizienzklassen (IE1 bis IE3 bzw. zukünf-tig auch IE4) für die automatisierende Antriebstechnik und gibt es hierbei Un- terschiede abhängig von Branchen oder Anwendungsbereichen?

Burghardt: Die Energieeffizienzklassen erlangen mehr und mehr Bedeutung. Dies resultiert schon aus der Verordnung (EG) Nr. 640/2009, die den Anwender zwingt, in den meisten Anwendungsfällen entsprechend klassifizierte Motoren einzusetzen. Gleichzeitig erhöht die Regulierung des Motoreinsatzes das Bewusstsein bei den Anwendern, durch Einsatz dieser Motoren Energie – und damit auch bares Geld für den Anwender – zu sparen. Beides zusammen führt zu einer hohen Akzeptanz. Wie groß diese ist, zeigt schon, dass beispielsweise auch Hersteller von Permanentmagnetmotoren den Wirkungsgrad ihrer Motoren mit den Grenzwerten der IE-Motoren vergleichen, obwohl diese für PM-Motoren eigentlich gar nicht relevant sind.

Hassmann: Unsere Kunden erhalten seit Juni 2011 Anlagen mit Motoren mit einem hohen Wirkungsgrad von mindestens IE2. Das rechnet sich am schnellsten in Anwendungen, mit hohen jährlichen Laufzeiten der Motoren wie bei Pumpen, Lüftern und Kompressoren. Gesetzliche Ausnahmen sind beispielsweise Ex-Motoren, Motoren im Schaltbetrieb S2-S9 oder Motoren für besondere Umgebungsbedingungen. Hier steht der besondere Einsatzzweck oder die Applikation über der Energieeffizienz. Siemens bietet auch hier Motoren mit verschiedenen Effizienzklassen an, soweit dies technisch möglich ist, z.B. Ex-Moto- ren. Niederspannungsmotoren, die bereits heute im Einsatz sind, müssen nicht ausgetauscht werden. Hier gilt der Bestandsschutz. In wenigen Jahren werden je nach Motorleistung Anfang 2015 und 2017 die gesetzlichen Anforderungen weiter erhöht auf IE3. IE4 befindet sich sowohl normen- als auch technologieseitig in der Vorfeldphase.

Jendryschik: Eine Effizienzsteigerung hilft grundsätzlich immer – dies gilt besonders bei Anwendungen mit konstanten Belastungen, speziell im Mehrschichtbetrieb. Je größer die auftretenden Beschleunigungen in einer Anwendung sind, desto weniger Vorteile ergeben sich jedoch durch Antriebe höherer Effizienzklassen, da durch ihre größere Masse auch das Trägheitsmoment steigt. IE1-Motoren werden dementsprechend für besondere Einsatzbedingungen weiterhin von Bedeutung sein. IE2-Motoren von Nord bieten andererseits bei gleich bleibenden Baugrößen deutlich größere Reserven als ihre Vorgängermodelle: Bei Bedarf kann der nach oben zu besseren Wirkungsgraden verschobene Betriebsbereich dazu genutzt werden, die neuen Motoren dauerhaft mit bis zu 150 % Leistung zu betreiben. Zugleich heißt dies, dass es in vielen Anwendungen möglich wird, eine kleinere Baugröße als zuvor zu wählen.

Keiger: Die Bestimmungen gelten für ei-nen großen Teil der in Europa in der Automation eingesetzten Motoren. Einige Motoren wie Ex- und Bremsmotoren sind in der IEC 60034-30 enthalten, nicht aber in der EU-MEPS; Marinemotoren sind von der EU-MEPS ganz ausgenommen. Von der IEC 60034-30 ausgenommen sind ausschließlich für den Umrichterbetrieb gefertigte Motoren und solche, die vollständig in eine Maschine, z.B. Pumpe, Lüfter oder Kompres-sor, integriert sind und nicht getrennt da-von geprüft werden können. Als Global Player wird ABB die Anforderungen der IEC 60034-30 einhalten. Obwohl nicht von der EU-MEPS gefordert, werden auch unsere Ex-, Brems- und Marinemotoren mit der IE-Kennzeichnung versehen.

Steffan: In der Fabrikautomation finden sich heute nahezu durchgehend geregelte Antriebslösungen, die teilweise mit Frequenzumrichtern, teilweise mit Servoantriebsreglern realisiert werden. In Fre-quenzumrichter-Anwendungen bietet der Einsatz von Energieeffizienzmotoren mit besonders hohen Effizienzklassen IE3/IE4 zusätzlich zum Effizienzgewinn durch die Regelung eine relativ geringe, zusätzliche Verbesserung. In den Servo-anwendungen dagegen werden schwerpunktmäßig permanenterregte Synchronmotoren eingesetzt, welche nicht unter die Richtlinie fallen. Rexroth bietet hier die Synchronmotorenbaureihe MSK an, die hochenergetische NdFeB-Permanentmagneten im Rotor mit kurzen, Verlust reduzierenden Wickelköpfen im Stator kombiniert. Dadurch werden Arbeitspunkt- abhängig Wirkungsgrade von bis zu 97 % erreicht, was sich im Bereich der höchsten Energieeffizienzklasse IE4 bewegt.

Steinmann: Die neuen Effizienzklassen bieten eine übersichtliche und vor allem international standardisierte Gruppierung anhand des Wirkungsgrads. Den Entscheidern wird ein Vergleich verschiedener Technologien erleichtert. Beispielsweise lässt sich in der Horizontalfördertechnik, wo Motoren häufig als klassischer Dauerläufer betrieben werden, auf einen Blick erkennen, dass eine höhere Effizienzklasse Kosten spart. Schwierig wird es insbesondere dann, wenn sich Drehzahl und Drehmoment im Anlagenzyklus verändern, z.B. in Fahr- oder Hubanwendungen. Hier ist oftmals eine Reduzierung auf Effizienzklassen nicht sinnvoll. Vielmehr ist eine Betrachtung des kompletten Antriebsstrangs notwendig, wie es die Auslegungssoftware Drive Solution Designer (DSD) von Lenze ermöglicht.

Wieder: Mit der normativen Festlegung der neuen Energieeffizienzklassen gemäß IEC 60034-30 sehen wir die erforderliche Basis gegeben, für die Umsetzung der weltweiten Vorgaben und Regularien bzgl. dem Einsatz von Energiesparmotoren für Anbieter und Nutzer zu vereinfachen. Dabei sind nicht nur die Hersteller von Normmotoren gefordert entsprechende Produkte anzubieten, sondern auch Hersteller von Getriebemotoren können, dürfen und müssen die Energiesparmotoren im Produktprogramm haben. Der Einsatz dieser Energie sparenden Elektromotoren erfolgt aus unserer Sicht über alle Branchen. Die optimale Energieersparnis der Antriebe ist selbstverständlich sehr stark von der Anwendung abhängig; Antriebe, die im Dauerbetrieb (S1) arbeiten, bringen eine höhere Kostenersparnis im Vergleich zu Antrieben im Kurzzeitbetrieb. Generell sehen wir im Anwendungsbereich der Fördertechnik eine breite Akzeptanz zum Einsatz der energieeffizienten Elektromotoren.

elektro Automation: Verglichen mit der Umstellung von ungeregelten zu geregelten Antrieben bieten die hocheffizienten Motoren ein eher geringes Potenzial für Energieeinsparungen. Wann lohnen sie sich dennoch, d.h. welche Amortisationszeiten werden bei welchen Applikationen erreicht?

Burghardt: Obwohl das Potenzial geringer ist, sparen die Motoren kontinuierlich. Generell ergibt sich aus den definierten IE-Wirkungsgradgrenzen, dass mit steigender Leistung sich mehr Einsparungen realisieren lassen. Da Motorhersteller für IE-Motoren die Wirkungsgrade im Teillastbereich angeben, lassen sich für Anwendungen mit konstantem Drehzahlbedarf die Amortisationszeiten sehr gut berechnen. Einige Ausnahmen, bei denen sich der Einsatz höherer Wirkungsgradklassen nicht rechnet, sind bereits in der EN 60034-30 (definiert IE-Klassen und deren Gültigkeitsbereich) selbst beschrieben und auch entsprechend berücksichtigt. Beispielsweise benötigen viele IE-Motoren durch konstruktiv bedingt höheren Trägheitsmomenten bei Beschleunigungsvorgängen mehr Energie. Deshalb fallen nur Motoren mit den Betriebsarten S1 und S3 mit einer Einschaltdauer (ED) über 80 % unter die Norm.

Hassmann: Hocheffiziente Motoren haben ein Einsparpotenzial von bis zu 7 %, d.h. sie haben im Vergleich zu IE1-Motoren einen bis zu 7 % höheren Wirkungsgrad. Frequenzgeregelte Antriebe bieten dagegen ein Sparpotenzial von bis zu 70 %. Allerdings brauchen viele Anwendungen in der Industrie keine Frequenzregelung und laufen meist unter Volllast. Hier können IE2- Motoren oder IE3-Motoren ihren höheren Wirkungsgrad voll ausspielen. Amortisationszeiten von acht bis 18 Monaten bei Dauerbetrieb sind typisch. Motoren haben oft eine Laufzeit von mehr als zehn Jahren. Damit sparen die Motoren meist schon ab dem zweiten Jahr Energie und damit Betriebskosten. Somit liefert der Einsatz von energieeffizienter Antriebstechnik schon heute eine gute Bilanz.

Jendryschik: IE2-Motoren bieten im S1- Betrieb, d.h. im kontinuierlichen (Mehrschicht-)Dauerbetrieb, große Vorteile. Hier liegt die Amortisationszeit je nach Anwendung zwischen weniger als einem Jahr und drei Jahren. Diese Vorteile werden allerdings bei größeren Beschleunigungen geringer. Um die Antriebslösungen für individuelle Anwendungen, wie Lüfter, Pumpen, Rührwerke oder Mischer, optimal auszulegen, ist Beratung essenziell – hier sollten sich Anwender nicht auf die Verbrauchsoptimierung einzelner Motoren beschränken, sondern das Gesamtsystem betrachten. Nord verfügt über langjährige Erfahrung in der Entwicklung effizienter Antriebstechnik und anwendungsspezifischer Energiesparkonzepte und bietet umfassende Beratungsleistungen, die alle Antriebskomponenten – Motor, Frequenzumrichter und Getriebe – unter dem Effizienzgesichtspunkt betrachtet.

Keiger: Bei der großen Anzahl installierter Motoren in der Industrie machen selbst kleine Änderungen im Wirkungsgrad in der Gesamtheit einen großen Unterschied aus. Motoren mit hohem Wirkungsgrad kosten zwar 10 bis 15 % mehr als Standardmotoren, dieser höhere Anschaffungspreis amortisiert sich aber in kurzer Zeit durch die Energieeinsparung. Ein Motor der Wirkungsgradklasse IE2 (vergleichbar mit EFF1) mit einer Leistung von 45 kW besitzt gegenüber einem Standardmotor der Klasse IE1 (EFF2) bei einer Laufzeit von jährlich 6000 h und einer Betriebsdauer von 15 Jahren eine Amortisationszeit von rund 1,5 Jahren. Man spart mit einem solchen Motor also fast 5000 Euro über die gesamte Betriebsdauer.

Steffan: Deutliche Effizienzvorteile und eine geringe Amortisationszeit bieten Normmotoren der höheren Energieeffizienzklassen IE3/4 dort, wo sie ungeregelte Motoren im stationären Betrieb ersetzen. Rexroth setzt allerdings ausschließlich auf geregelte Antriebslösungen. Dabei sind die optimale Dimensionierung des Antriebssystems und die energieeffiziente Gestaltung des Prozesses die Stellhebel zur Energieeinsparung. Beispiel für eine gelungene Kombination: drehzahlvariable Pumpenantriebe in Hydraulikanwendungen lösen die vormals ungeregelten Pumpenmotoren ab. Dabei werden elektrischer Antrieb, Elektromotor und Hydraulikpumpe intelligent kombiniert, um im hydraulischen System Druck und Durchflussmenge zu regeln. Das spart Energie und reduziert Geräuschemissionen. Das Rexroth-Portfolio erreicht je nach Anfor-derungen z.B. die Dynamik vom Frequenz-umrichter mit Standardmotor bis hin zum Servoantrieb mit Synchronmotor.

Steinmann: Hocheffiziente Motoren rentieren sich besonders dann, wenn sie größtenteils mit konstanter Drehzahl betrieben werden. Hier kann sich ein hocheffizienter IE2-Motor schon in weniger als 1000 Betriebsstunden amortisieren. In Anwendungen mit geregelten Antrieben, bei denen auch Beschleunigungsvorgänge eine Rolle spielen, kann sich die größere Massenträgheit der hocheffizienten Motoren negativ auswirken. Damit hier nicht sogar mehr Energie benötigt wird, bedarf es intelligenter Konzepte. So bieten die frequenzumrichteroptimierten L-force Drehstrommo-toren MF von Lenze einen höheren Wirkungsgrad bei geringerem Trägheitsmo-ment und geringen Anschaffungskosten als ein klassischer IE2-Motor.

Wieder: Der alleinige Umstieg auf energieeffiziente Elektromotoren (IE2, IE3) bringt bei Anwendungen im Dauerbetrieb (4000 h/a, z.B. Fördereinrichtungen) eine Amortisierungszeit von wenigen Monaten. Bei Anwendungen mit einer hohen Anzahl von Motoren (z.B. Fördereinrichtungen im Bereich der Intralogistik oder Lebensmittel-/Getränkeindustrie) können akzeptable Kosteneinsparungen erzielt werden. Ein Optimum dieser Einsparpotenziale kann aber nur dann erreicht werden, wenn auch die weiteren mechanischen Elemente wie Getriebe und Kraftübertragung energieeffizient ausgewählt werden und eine elektronische Antriebssteuerung eingesetzt wird. Für diese optimierte Zusammenführung von Mechanik und Elektronik bietet SEW-Eurodrive das mechatronische System Movigear an.

zg