International Efficiency (IE) für Motoren

Geregelte/gesteuerte Antriebe bilden eine wesentliche Quelle zum Sparen elektrischer Energie, da sie rund 70 Prozent des in der Wirtschaft eingesetzten elektrischen Stroms verbrauchen. Über ein großes, anteiliges Potenzial (ca. 10 Prozent) verfügt ihre Komponente Motor wegen seiner Verbreitung vor allem als Niederspannungs-Drehstrom-Maschine. Neue IEC-Normen verschärfen die Anforderungen an den Wirkungsgrad, an ihre Hersteller und Nutzer, zumal die freiwillige CEMEP-Selbstverpflichtung der Motorenproduzenten zum Bau von Energiesparmotoren (ESM der Klassen EFF) am 15.6.2011 auslief. Veränderte Wirkungsgradkategorien nach neuem IE-Code sind an einheitliche, definierte Messverfahren zur Bestimmung der Verluste gebunden. Damit werden die dsbzgl. Angaben weltweit vergleichbar. Zugleich stärkt die IEC mit ihren Festlegungen das Umweltbewusstsein bei Erzeugern und Kunden. Ein weiteres, nun sogar globales Signal für Nachhaltigkeit, Energieeffizienz und Ausbau der alternativen Energiequellen steht auf „grün“.

Grundlegende Vorschriften

Zusätzlich zu den grundsätzlichen, umweltpolitischen und wirtschaftlichen Zwängen verpflichten diese IEC-Vorgaben Hersteller wie Nutzer von Antrieben/Elektromotoren zum verantwortungsvollen Umgang mit Elektroenergie. Dazu definiert die Norm IEC 60034-30 die Wirkungsgradklassen IE x (International Efficiency-Code) für den Leistungsbereich bis 375 Kilowatt. Da die IEC 60034-2-1 zugleich die Messverfahren für die Verluste zur Anwendung vorschreibt, besteht die Vergleichbarkeit der berechneten Wirkungsgrade im Geltungsbereich der Standards. Im Unterschied zur überholten EFF-Kennung zeigt sich der IE-Code entwicklungsfreundlich nach oben offen.

Die genannten IEC-Standards passen in den Rahmen der „RICHTLINIE 2009/125/EG des Europäischen Parlaments und des Rates vom 21. Oktober 2009 zum Festlegen von Anforderungen an die umweltgerechte Gestaltung energieverbrauchsrelevanter Produkte“ (ErP-Energyrelated Products-Richtlinie). Als Nachfolger der EuP-Richtlinie 2005/32/EG vom 6. Juli 2005 beurteilt sie den energetischen Lebenszyklus eines Produktes – von Entstehung bis Entsorgung/Wiederverwertung. Die verbindliche Umsetzung in die nationale Gesetzgebung stellt das Energiebetriebene-Produkte-Gesetz (EBPG – Ökodesign-Gesetz) dar. Darüber hinaus wurden die Bestimmungen zum IE-Code in die EU-Verordnung für Motoren Nr. 640/2009 übernommen.

Den Wirkungsgrad weist weiterhin das Leistungsschild für Nennlast aus, die Werte für 50 Prozent und 75 Prozent Nennlast enthält die Dokumentation.

Anwendungshilfen beim Umsetzen der zum Erlangen der CE-Zeichen-Kennung bindenden Vorschriften bietet beispielsweise DEKRA Industrial (www.dekra.de).

Wirkungsgradklassen und ESM

Den Gültigkeitsbereich des IE-Code zeigt die Tabelle. Diese Anforderungen erfüllen Energiesparmotoren ESM belegt mit der Konformitätserklärung. ESM unterscheiden sich von herkömmlichen Maschinen vor allem durch Materialeinsatz und -zusammensetzung, kaum durch ihre äußere Form mit verlängertem Ständer. Höchste Effizienz erreichen prinzipbedingt lediglich permanenterregte-(PM-) Synchronmaschinen, da bei ihnen keine Läuferverluste auftreten. Zu den rechneroptimierten Merkmalen (CAD/CAM) von ESM gehört insbesondere der mit der Wirkungsgradzunahme (höhere IE-Klasse) steigende Einsatz von Aktivmaterial (Eisen, Kupfer, Alu). Das bringt besonders geringe elektrische und magnetische Verluste, niedrigere Betriebstemperaturen, somit natürlich reduzierten, außerdem optimierten Kühlaufwand sowie verlängerte Lebensdauer von Wicklungsisolation und Lager. Die Leistungsbaugröße sinkt, Getriebe können wegen des erlaubten Drehzahlbereichs häufig entfallen.

Anwendung

ESM schonen mit ihrer geringeren Einbuße durch Abwärme nachhaltig die Umwelt, ihr Wirkungsgrad kann 8 Prozent und mehr größer sein. Der mit den niedrigeren Verlusten (bis zu 45 Prozent) verbundene stoffliche Mehraufwand bedingt höhere Anschaffungskosten. Allerdings treten sie als alleiniges Kaufkriterium der Maschine zugunsten der vorauszudenkenden Lebenszykluskosten (Total Costs of Ownership) in den Hintergrund, da der auf die Betriebskosten (Energie) entfallende Anteil nämlich >90 Prozent beträgt. Dadurch amortisiert sich die finanzielle Zusatzbelastung beim Einkauf in kurzer Zeit (<> ein Jahr), zumal ein ESM-Einsatz meist mit weiteren Effizienzmaßnahmen (Regelung, Verzicht auf Getriebe, Bremsenergierückspeisung etc.) einhergeht.

Die Bauformen stehen für den allgemeinen Einsatzfall (General Purpose Motor GPM) mit Alu-Gehäuse bereit (Beispiel: Heizung Klima Lüftung bzw. HVAC – Heating Ventilating & Air Conditioning). In Vollgussausführung (Severe Duty Motor SDM) vertragen sie raue Umgebung zum Beispiel in der Walzwerkstechnik und chemischen Industrie. Wegen der verbesserten Leistungsfähigkeit durch angestiegene Überlastreserve (beispielsweise um 15 Prozent bei DB S1) dehnt sich ihr Einsatzfeld aus.

Ausblick

Die Bereitstellung von Drehstrom-Motoren mit noch niedrigeren Verlusten der Premium-Klassen IE 3/4 nimmt zu. Nicht nur PM-Synchronmaschinen drängen in diesem Leistungssegment auf den Markt. Mit der Reluktanzbauweise wird bereits die Klasse IE 4 erreicht, mit PM-Motoren oft sogar überschritten (Baureihe MCS, http://www.lenze.de). Selbst andere Motorklassen erreichen mit dem PM-Synchronprinzip höherer Wirkungsgrade wie beispielsweise bürstenlose Scheibenläufer-Motoren PMS (0,5 bis 30 Kilowatt; http://www.perm-motor.de) belegen.

Weitere Einzelheiten zu den neuen, allgemein akzeptierten Wirkungsgradklassen IE behandelt die ZVEI-Schrift „Motoren und geregelte Antriebe – Normen und gesetzliche Anforderungen an die Energieeffizienz von Niederspannungs-Drehstrommotoren“, die bei den vorstehenden Ausführungen beachtet wurde. Joachim Krause