Antriebstechnik Energieeffizienz bedeutet nicht nur hoher Wirkungsgrad

Dass der Elektromaschinenbau einen gewichtigen Beitrag zur umweltgerechten Konstruktion und Projektierung und damit auch zu energieeffizienten Antrieben leisten kann, erfuhren Anwender und Hersteller der Branche auf dem 6. Technischen Tag der VEM in Wernigerode am Harz. Neueste Forschungsergebnisse, praktische Lösungsansätze und realisierte Verbesserungen wurden von namhaften Referenten aus Hochschulen und der Industrie präsentiert.

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FAULHABER Antriebssysteme

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Genau richtig traf das Thema des Technischen Tags der VEM Gruppe „Umweltgerechte Konstruktion und Projektierung in der Antriebstechnik“ den Kern der derzeit hitzigen Energieeffizienz-Debatte um die Folgen des Klimawandels. Und wie sich die vielfältigen Möglichkeiten der Projektierung umsetzen lassen, zeigten die Referenten an theoretischen und praktischen Beispielen.

Auslöser einer regen Diskussion sind die weltweit von unterschiedlichen Organisationen vorgelegten Regelwerke, die am Ende zu einer Vereinheitlichung der Normung für energiesparende Motoren führen sollten. Denn aus der aktuellen Entwicklung bei Energiesparmotoren heraus wurden in den vergangenen Jahren eine Vielzahl von länderspezifischen Vorschriften, Gesetzen und Normen produziert. Sie erschweren, nach Meinung der Hersteller, eine vergleichbare Bewertung der einzelnen Produkte. Je nach Einsatzgebiet sind von den Herstellern Grenzwerte nach Voluntary Agreement of CEMEP (VA), NEMA, EPAct oder speziellen australischen, japanischen und anderen Vorschriften zu beachten. Zudem unterscheiden sie sich noch in den anzuwendenden Prüfvorschriften. Hinzu kommen Anforderungen, die sich zukünftig aus der Umsetzung der Energy-Using Products-Richtlinie (EuP) ergeben.

Energiekosten über den gesamten Produktlebenszyklus betrachten

Man weiß, dass Motoren umso energiesparender sind, je höher ihr Wirkungsgrad ist. Derzeit haben bereits die USA, Kanada, Mexiko, Australien und Neuseeland solche gesetzlichen Mindestwirkungsgrade eingeführt. Weitere Länder planen ihre Einführung, wie Israel, Korea, Brasilien und China. So werden nun auch die europäischen Motorenhersteller im Rahmen der CEMEP die Einführung von Mindestwirkungsgraden unterstützen. Allerdings sind die Rahmenbedingungen noch strittig.

Es geht auch nicht allein darum, den Elektromotor energieeffizienter zu gestalten, sondern der gesamte Antriebsstrang muss in die Projektierung mit einbezogen werden. Um die Umweltauswirkungen richtig einschätzen zu können ist nicht nur die Nutzungsphase, sondern der gesamte Produktlebenszyklus zu berücksichtigen.

Professor Anibal de Almeida von der portugiesischen Universität Coimbra, der von der EU-Kommission beauftragte „Energiesparpapst“, berichtete von den Erkenntnissen seiner Arbeit. Entgegen der so beliebten Wegwerfmentalität ist er sich sicher, dass es sich lohnt Motoren ab 5 kW im Reparaturfall wieder aufzuarbeiten, anstatt einen neuen Motor zu kaufen. Auch die nahezu vollständige Recyclingfähigkeit der verwendeten Werkstoffe in der Motorenfertigung ist nicht nur ein umweltfreundlicher Aspekt, sondern eine dringende Notwendigkeit um Kosten zu sparen. Zudem ist es angebracht, den Frequenzumrichter direkt am Motor anzubringen, um die Leistung des gesamten Antriebs zu verbessern. So lässt sich mit geringerer Einspeisung die gleiche Leistung erzielen. Almeida präsentierte das Beispiel eines Antriebs ohne Umrichter mit einer Leistungsaufnahme von 100 kW bei einer Abgabeleistung von 31 kW. Wird der Motor mit Frequenzumrichter ausgerüstet, benötigt er für die gleiche Abgabeleistung nur noch 43 kW. Mehraufwendungen für den Umrichter könnten sich so bei den heutigen, und zu erwartenden Stromkosten, sehr schnell amortisieren.

Energieeffiziente Produkte sind bereits erhältlich

Eine Baureihe von Drehstrom-Kompaktantrieben der VEM Gruppe vereint bereits einige der von Prof. Almeida genannten Vorzüge in sich. Das komplette, anschlussfertige und sofort betriebsbereite drehzahlvariable Antriebssystem wird mit Leistungen von 0,55 bis 22 kW gefertigt. Durch den prinzipbedingten Wegfall von Projektierungsleistungen, Filtern am Ausgang des Umrichters und geschirmten Motorkabeln kommt es zu erheblichen Einsparungen. Es werden nicht nur Werkstoffe wie Kupfer, Dynamoblech und Isolationsmaterialien eingespart, sondern auch der Energiebedarf zum Fördern, Herstellen und Transport dieser Werkstoffe sinkt.

Wie der Einsatz von Kupfer- statt der üblichen Aluminiumrotoren den Wirkungsgrad eines Motors erhöhen kann, stellte Dipl.-Ing. Stefan Fassbinder vom Deutschen Kupferinstitut vor. Durch eine neue Herstellungsvariante lässt sich der Vorteil der um etwa 50 Prozent besseren Leitfähigkeit des Kupfers nutzen, um einen gleich großen Motor mit geringeren Verlusten oder aber einen kleineren Motor mit gleicher Leistung herzustellen. Ganz neu ist diese konstruktive Variante jedoch nicht mehr, denn die SEW in Bruchsal fertigt Motoren mit Kupferrotoren schon in der zweiten Generation.

Immer mehr ins Blickfeld der Nutzer rücken bei Antrieben mit großer Stückzahl und hohen Betriebsstunden auch die Lebensdauerkosten. Wie Prof. Prof. h.c. mult. Dr.-Ing. Peter F. Brosch von der FH Hannover berichtete, werden rund 70 Prozent der elektrischen Energie zum Antreiben benötigt und davon wiederum 60 Prozent allein zum Antreiben von Pumpen und Lüftern. Diese Aggregate arbeiten oft mit mehr als 2000 Betriebsstunden im Jahr. Obwohl viele dieser Antriebe schon heute mit Frequenzumrichtern drehzahlvariabel und energiesparend gefahren werden, ließen sich unter anderem mit permanenterregten Synchronmotoren noch bessere Wirkungsgrade erzielen und die Lebensdauerkosten weiter senken.

Viele kleine Schritte zur Energieeffizienz

Einige Frequenzumrichter, wie die VLT Aqua Drive-Serie von Danfoss, bieten eine automatische Energieoptimierung, kurz AEO. Damit lässt sich durch Absenkung der Motorspannung im Teillastbetrieb eine zusätzliche Energieeinsparung von etwa 5 Prozent erzielen.

Eine weitere Möglichkeit bietet der Energiesparmodus. Er ermöglicht ein Pumpensystem zu stoppen, das bei minimaler Drehzahl arbeitet und nahezu keine Last aufnimmt. Steigt die Leistungsnachfrage im System wieder an, erkennt der Frequenzumrichter dies automatisch und regelt auf den erforderlichen Durchfluss. So läuft die Pumpe nur, wenn sie tatsächlich benötigt wird. Die Energiekosten werden weiter gesenkt und der Verschleiß reduziert. Wartungs- und Instandhaltungskosten werden vermindert.

Beim Einsatz von Pulsumrichtern zur Drehzahl- oder Drehmomentregelung von Asynchronantrieben in Folge von Wanderwellen treten Überspannungen auf der Zuleitung auf. Dipl.-Ing. Alexander Rocks von der TU Darmstadt zeigte auf, dass diese Überspannungen im schlimmsten Fall den dreifachen Wert der Zwischenkreisspannung annehmen können. Bei derartigen Problemen kamen bisher Filter zum Einsatz, die jedoch mit steigender Antriebsleistung sehr große Dimensionen annehmen und dementsprechend teuer werden. In einem Forschungsprojekt wurde untersucht, ob es möglich ist, die Überspannungen durch Varistoren (spannungsabhängige Widerstände) zu begrenzen. Es zeigte sich, dass Varistoren eine Alternative zu bestehenden Lösungen, wie Filter, sein können.

Alle Vorträge bewiesen, dass es unterschiedliche Wege gibt die umweltgerechte Konstruktion und die Energieeinsparung am Antrieb zu optimieren. Viele der Ansätze sind bereits realisiert und dennoch dürfen die Entwickler in ihren Bemühungen nicht ruhen, die Kosten zu senken – zum Nutzen des Anwenders.

Alle Referenten betonten, dass der Wirkungsgrad nur ein Qualitätsmerkmal eines Motors ist, und die Energiekosten nur ein Teil der Gesamtlebenszykluskosten sind. In vielen Anwendungen spielen die Zuverlässigkeit und die damit verbundenen Instandhaltungskosten oder gar Ausfallzeiten eine zentrale Rolle.

Dipl.-Ing. Brigitte Michel ist freie Journalistin

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