Neue Anforderungen an das Ökodesign von Elektromotoren

Was sind die wichtigsten Neuerungen der (EU) Nr. 2019/1781 im Vergleich zur alten (EG) 640/2009?
Die neue Verordnung erweitert zum einen den Geltungsbereich hinsichtlich der Leistungsbereiche sowie der Typen von Elektromotoren. Ein Beispiel ist der Bereich der Ausgangsleistung: Galt die Verordnung bisher nur für Motoren mit einer Nennausgangsleistung PN zwischen 0,75 und 375 kW, so umfasst die neue Regelung nun Motoren mit einer Nennausgangsleistung zwischen 0,12 und 1000 kW. Zum anderen werden die Mindestanforderungen an die Energieeffizienz für Elektromotoren im Anwendungsbereich erhöht – so sind jetzt mit dem 1. Juli 2021 beziehungsweise 1. Juli 2023 konkrete Termine genannt, ab wann IE3- und IE4-Motoren in bestimmten Bereichen eingesetzt werden müssen. Und schliesslich sind drittens nun auch Drehzahlregelungen miteinbezogen.

Drehzahlgeregelte Antriebe wurden schon in der (EG) 640/2009 erwähnt. Was ist denn jetzt neu?
In der vorherigen Verordnung wurden Drehzahlregelungen nur in dem Zusammenhang berücksichtigt, dass sie in Kombination mit IE2-Motoren eine Alternative zu IE3-Motoren sein können. (EU) Nr. 2019/1781 fordert dagegen erstmals konkrete Energieeffizienz-Klassen für Drehzahlregelungen in bestimmten Bereichen.
Diese Vorgaben gelten für Drehzahlregelungen im Spannungs­bereich von über 100 bis 1000 V AC, mit Dreiphasen-Eingang und nur einem AC-Spannungsausgang. Sie müssen für den Betrieb mit einem Elektromotor ausgelegt sein, der sich innerhalb des Geltungsbereichs befindet und eine Nennausgangsleistung zwischen 0,12 bis 1000 kW hat.

Können in einem vorhandenen Antriebssystem alte Motoren durch IE3- oder IE4-Motoren ausgetauscht werden?
Ohne die vorhandenen anderen elektrischen beziehungsweise elektronischen Komponenten des Systems zu prüfen, sollten die Motoren nicht einfach ausgetauscht werden. Denn Schaltgeräte, die zusammen mit IE3- und IE4-Motoren eingesetzt werden, müssen sowohl die höheren Anlauf- als auch Inrush-Ströme der hocheffizienten Motoren sicher beherrschen. Dazu gehört auch, dass die Motorenabsicherung zwischen dem Inrush-Strom des Motors und einem Störfall wie zum Beispiel einem Kurzschluss unterscheiden können muss. Moderne Software zur Dimensionierung von Niederspannungsnetzen kann bei der richtigen Auswahl der Schutzkomponenten helfen.

Heisst das, dass Frequenzumrichter «safe» sind – sie steuern ja selbst aktiv die Ströme?
Richtig ist, dass Inrush- und Anlaufströme bei dem Betrieb mit Frequenzumrichtern kein Thema sind. Dennoch muss auch bei Frequenzumrichtern darauf geachtet werden, dass sie für den Betrieb mit IE3- und IE4-Motoren ausgelegt sind.
Denn die hoch-energieeffizienten Motoren erfordern speziell angepasste Regelalgorithmen. Ist der Frequenzumrichter nicht für den Betrieb von IE4-Motoren geeignet, kann das verschiedene Auswirkungen haben: Im Extremfall läuft der Motor erst gar nicht. Oder der Motor wird nur unzureichend, sprich ineffizient, betrieben.
Erst durch das Anpassen der veränderten Widerstands-Verhältnisse und Regelverhalten der Stromvektoren des Frequenzumrichters kann also ein zuverlässiger Betrieb über den gesamten Drehzahlbereich sichergestellt und in jedem Betriebspunkt auch bei wechselnden Lasten optimiert werden.

Bedeutet die Ausweiterung der Verordnung auf drehzahlvariable Antriebe jetzt endgültig das Ende von Schützen und Motorstartern in der ­industriellen Antriebstechnik?
Ein ganz klares Nein! Motorstarter – wozu auch Schütze, Softstarter und Leistungsschalter zählen – haben an sich einen deutlich niedrigeren Eigenenergieverbrauch als Frequenzumrichter. Oberhalb eines bestimmten Lastniveaus, das stark abhängig von der Anwendung selbst ist, wird durch den Einsatz eines Motorstarters von dem Antriebssystem deutlich weniger Energie verbraucht, als wenn der Motor durch einen Frequenzumrichter geschaltet beziehungsweise gesteuert wird. Zur Ansteuerung von Motoren in Anwendungen, bei denen die Drehzahl fest und die Lasten variabel sind, ver­sprechen Motorstarter daher die grösste Energieeinsparung.
Erfordern Anwendungen allerdings veränderliche Drehzahlen, zum Beispiel um die Fördermenge von Flüssigkeiten oder Gasen an den Bedarf des jeweiligen Prozesses anzupassen, sind drehzahlgesteuerte Antriebe in der Regel die effizientere Wahl. Für die Energieeinsparung mit Frequenzumrichtern sind besonders Maschinen und Anlagen interessant, bei denen der Zusammenhang zwischen Drehzahl und Drehmoment quadratisch ist und damit die Leistung in deutlich mehr als linearem Zusammenhang steht. Dazu zählen unter anderem Anwendungen wie Kreiselpumpen und Ventilatoren.

Wie geht man am besten vor, wenn man eine möglichst hohe Energieeffizienz eines Antriebssystems erreichen will?
Jede Optimierung der Energieeffizienz beginnt mit der Betrachtung des Gesamtsystems. Nur wenn die richtigen Komponenten miteinander kombiniert werden, lässt sich die gewünschte Energieersparnis tatsächlich realisieren. Motor und Ansteuerung müssen zu der jeweiligen Anwendung passen. Eine Beurteilung der Energieeffizienz eines Gesamt-Antriebssystems ermöglicht die EN 50598: Diese Norm reguliert das Ökodesign für Antriebssysteme, Motorstarter, Leistungselektronik und deren angetriebene Einrichtungen.
Neben dem Antriebssystem sollten aber auf jeden Fall auch die mechanischen Teile des Systems betrachtet werden. Im Antriebssystem lässt sich ungefähr 10 Prozent des erreichbaren Einsparpotenzials durch die Verwendung effizienter Motoren erzielen. Der drehzahlgeregelte Betrieb ergibt ein Einsparpotenzial von rund 30 Prozent. Das grösste Potenzial von circa 60 Prozent liegt aber in der Optimierung des Gesamtsystems. Dazu gehören zum Beispiel eine optimierte Rohrleitungsführung bei Umbauarbeiten oder die Nutzung von Softwarefunktionen in modernen Frequenzumrichtern.

Die theoretisch möglichen Energieeinsparungen hören sich erstmal gut an – doch rechnet sich der Umstieg auf IE4-Motoren auch in der Praxis?
Ein praktisches Beispiel für eine erfolgreiche Modernisierung ist das Pumpenhaus des Zweckverbands Stauden-Wasserversorgung: Es verbrauchte bis dato zwischen 2 und 2,5 Millionen kW-Stunden Energie pro Jahr. Das war zum einen auf die Verwendung herkömmlicher, über Motorstarter geschalteter Motoren zurückzuführen. Zum anderen auf den Einsatz von Schiebern: Sie verhinderten Druckstösse in der Anfahrphase, indem sie sich erst langsam öffneten, wenn die Pumpe ihre volle Leistung erreicht hatte.
Die Aquatech AG mit Sitz in D- 94209 Regen tauschte daraufhin die Pumpen-Motoren mit je 55 kW Leistung gegen moderne IE4-Motoren aus. Statt die Fördermenge des Systems über Zuschalten von ein, zwei oder drei Pumpen zu steuern, wurde nun die Regelung über drehzahlgeregelte Antriebe mit dem Frequenzumrichter PowerXL DG1 von ­Eaton realisiert. So können die Pumpen heute zum einen immer am optimalen Arbeitspunkt bei 42 bis 53 Hertz betrieben werden. Zum anderen kann dank der Drehzahlregelung auf die Schieber verzichtet und damit die Verlustleistung deutlich reduziert werden.
Insgesamt konnte der Zweckverband Stauden-Wasserversorgung durch das Zusammenspiel der IE4-Motoren mit den DG1-Umrichtern die Energiekosten um rund 15 Prozent reduzieren.

Abgesehen von den Energiekosten – wie sieht es mit den Life-Cycle-Costs insgesamt aus?
Eventuelle Mehrkosten für die IE4-Motoren und moderne Frequenzumrichter oder Motorstarter amortisieren sich meist schnell. Gerade wenn Pumpen angetrieben werden, kann mit drehzahlgeregelten Antrieben auf wartungsintensives Drosseln oder ähnliches verzichtet werden. Dabei wird gleichzeitig die Anlagentechnik geschont, da Spannungsspitzen oder Druckstösse nicht mehr entstehen – so konnten zum Beispiel auch beim Pumpenhaus des Zweckverbands Stauden-Wasserversorgung die Instandhaltungskosten deutlich gesenkt werden. Bei 5000 Betriebsstunden, die jeder Antrieb im Schnitt pro Jahr läuft, bedeutet das eine grosse Einsparung. Die Nachfolgestudie Lot 30 (siehe Bild auf Seite 30) der Ökodesignrichtlinie erweitert den Einsatz von energieeffizienten IE3- und IE4-Motoren. Die neuen Richtlinien werden in zwei Stufen gültig: zum 1. Juli 2021 und zum 1. Juli 2023.
Eaton hat die aktuellen Änderungen der (EG) 640/2009 durch die Nachfolgestudie Lot 30 in einem White Paper ausführlich erörtert. Es steht au www.eaton.de/erp zum kostenlosen Download zur Verfügung.

Herr Keller, vielen Dank für Ihre Ausführungen.

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