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Energieeffiziente Antriebstechnik im Zeichen der IE-Klassen

Dr. techn. Dipl.-Ing. Christian Grabner ist Entwicklungsleiter bei der ATB Motorenwerke GmbH in Spielberg/Österreich

Dr. Jörg Hassmann leitet das Produktmanagement Standardmotoren bei der Siemens AG in Nürnberg

Dipl.-Ing. (TH) Andreas Keiger ist Vertriebsleiter Drives & Motors bei der ABB Automation Products GmbH in Ladenburg

Dipl.-Ing. Thorben Steinmann ist Produktmanager Elektromechanik bei Lenze in Hameln

Die Norm IEC 60034-30 hat weltweit Wirkungsgradklassen für Niederspannungs-Drehstrom-Asynchronmotoren im Leistungsbereich von 0,75 kW bis 375 kW definiert. Mit dem Inkrafttreten der ErP-Richtlinie 2009/125/EG zum 16. Juni 2009 müssen alle in Verkehr gebrachten Motoren den IE2-Standard erfüllen. Sukzessiv werden die Auflagen für die Energieeffizienz von Industrieanwendungen dann 2015 und 2017 weiter verschärft. Die etz-Redaktion fragte führende Antriebshersteller, wie sie das Thema energieeffiziente Antriebe angehen.

Wie ist bisher das Feedback der Anwender auf die IE-Klassifizierung? Welche IE-Klasse bzw. Technologie bevorzugen Ihre Kunden?
C. Grabner: Die neue ErP-Richtlinie 2009/125/EG stellt einen großen Umbruch dar und hat anfangs zum Teil für ein gewisses Maß an Unsicherheit gesorgt. Die IE-Informations­offensive von ATB war diesbezüglich bei unseren Kunden sehr hilfreich. Das Feedback bezüglich unserer technischen Lösungsvorschläge war durchwegs positiv. Die meisten Kunden stellten bzw. stellen gerade auf IE2 um. Häufig wird bereits auch daran gedacht direkt auf IE3 umzustellen.
A. Keiger: Unsere Kunden haben fast ausnahmslos ihr Einkaufs- und Nachfrageverhalten in Richtung der neuen IE-Klassen ausgerichtet. Dabei ist anzumerken, dass immer mehr Kunden je nach Anwendung die Chance wahrnehmen und gleich auf die IE-Klasse 3 setzen, um sich in wenigen Jahren ein weiteres Umdesignen ihrer Maschinen zu ersparen.

F. Wiedemann: Es gibt immer noch Kunden, die sich erst seit Kurzem mit dem Thema beschäftigen. Viele schon länger damit befasste Anwender gehen inzwischen aber offensiv damit um: Sie stellen Energieeffizienz-Eigenschaften in der Kommunikation positiv heraus und erklären die Vorteile. Der Umgang mit den Ausnahmen bleibt aber von Fall zu Fall ein Problem.
Der Anteil der IE2-Systeme nimmt generell zu. Aber absehbar werden noch etliche der bisher verwendeten Motoren verwendet, da sehr viele Antriebsanwendungen unter die Ausnahmeregelungen der Richtlinie fallen. IE3 wiederum, also die erst in einigen Jahren überall vorgeschriebene nächste Effizienzstufe, spielt nach unseren Erfahrungen bis jetzt bei der Projektierung keine Rolle – abgesehen von Nordamerika natürlich, wo IE3 bereits gefordert ist, aber auch viele Ausnahmen bestehen.

T. Steinmann: Das Feedback ist durchaus positiv. Den Entscheidern wird ein Vergleich verschiedener Antriebstechnologien vereinfacht. Auf der anderen Seite wird es insbesondere dann schwierig, wenn sich Drehzahl und Drehmoment im Anlagenzyklus verändern, zum Beispiel in Fahr- oder Hubanwendungen. Hier ist eine Reduzierung auf Effizienzklassen oft nicht sinnvoll. Vielmehr ist eine Betrachtung des kompletten Antriebsstrangs notwendig, wie es die Auslegungssoftware Drive Solution Designer von Lenze ermöglicht.
Unsere Kunden bevorzugen Motoren der Effizienzklasse IE2, da hier die Balance zwischen Aufwand, Wirtschaftlichkeit und Nutzen stimmt.

C. Wieder: Die Umstellung der Wirkungsgradklassen gemäß der IEC 60034-30 auf die IEx-Bezeichnungen ist bei unseren Kunden bekannt und akzeptiert. Über umfangreiche Informationen und spezielle Veranstaltungen haben wir sie frühzeitig und detailliert informiert.
In Abhängigkeit der unterschied­lichen Antriebsapplikationen und durch die gegebenen internationalen Energieeffizienz-Verordnungen werden zunehmend Antriebe der Wirkungsgradklasse IE2 eingesetzt. Es werden aber auch weiterhin IE1-Antriebe für die entsprechenden Aus­nahmeregelungen (zum Beispiel Brems­motoren, Taktbetrieb) bei den Applikationen benötigt. Bei Berücksichtigung einer Betrachtung der gesamten Total Cost of Ownership kommen auch zunehmend IE3- bzw. IE4-Antriebe zum Einsatz.

J. Hassmann: Wir haben als Hersteller bereits vor zwei Jahren mit der „Aufklärungsarbeit“ begonnen und stehen unseren Kunden beratend bei der Umstellung auf IE2-Motoren zur Seite. Viele Maschinenbauer haben ihre Konstruktionen an die neuen hoch- und premiumeffizienten Motoren angepasst. Dementsprechend ist die Nachfrage nach IE2- und IE3-Motoren gestiegen. Es gab aber auch noch einen hohen Anteil an IE1-Motoren, die vor dem Stichtag bestellt wurden.

Dipl.-Ing. Frank Wiedemann verantwortet bei der Getriebebau Nord GmbH & Co. KG in Bargteheide die Entwicklung energieeffizienter Motoren

Dipl.-Ing. (FH) Claus Wieder ist Leiter Leiter Marketing & Engineering Standardantriebe bei der SEW-Eurodrive GmbH & Co. KG in Bruchsal

Für welche IE-Klassen bieten Sie welche Antriebstechnologien an?
A. Keiger: ABB hat für jede IE-Klasse passende Angebote parat. Dies beginnt mit dem IE2-Motor in sämtlichen Ausführungen, sogar für Bereiche, die bis dato von der ErP-Richtlinie ausgenommen sind, wie Ex-Motoren. Für die Bereiche IE3 und kommend IE4 hat ABB auf der gerade zu Ende gegangenen Hannover Messe innovative Antriebspakete ausgestellt, die aus Synchron-Reluktanzmotor und Frequenzumrichter bestehen. Darüber hinaus ist ein weites Programm an Asynchronmotoren in IE3 erhältlich.

T. Steinmann: Lenze bietet die L-force Drehstrommotoren in den Effizienzklassen IE1 und IE2. Daneben sind unsere speziell für den Umrichterbetrieb optimierten L-force Drehstrommotoren MF mit der Effizienzklasse IE2 vergleichbar. Aufgrund ihres niedrigen Trägheitsmoments verbrauchen diese kompakten Motoren wenig Energie bei Drehzahländerungen.
Unsere Synchronmotoren MCS übertreffen die Mindestwirkungsgrade der Effizienzklasse IE4 und runden damit unser Motoren-Portfolio ab.

C. Wieder: Das komplette Motor-Portfolio von SEW-Eurodrive umfasst alle Energiesparklassen:
• für IE1 die Drehstrom-Asynchronmotoren DRS,
• für IE2 die Drehstrom-Asynchronmotoren DRE,
• für IE3 die Drehstrom-Asynchronmotoren DRP und
• für IE4 die DRU-Motoren mit LSPM-Technologie sowie die permanenterregten Synchronmotoren Movigear.

F. Wiedemann: Nord setzt für IE1-, IE2- und IE3-Motoren ausschließlich Asynchronmotoren ein. Die Effizienzklasse IE4 ist derzeit in Vorbereitung. Auf der diesjährigen Hannover Messe haben wir Prototypen vorgestellt, die eine Kombination aus Synchronrotor und dem Standard-Motorbaukasten von Nord darstellen.

J. Hassmann: Die Division Drive Technologies von Siemens bietet IEC-Motoren in den Wirkungsgradklassen IE2 und IE3 an. Darüber hinaus sind die Motoren für den Nafta-Markt in den Klassen Energy Efficient und Premium Efficient erhältlich. Die Asynchronmotoren sind für alle Anwendungen in der Fertigungs- und Prozessindustrie geeignet.

C. Grabner: Die relevanten IE2- und IE3-Klassen bieten wir heute durchgängig in Aluminiumdruckguss an, wobei hier bei kundenspezifischen Ausführungen die IE3-Kupferrotortechnologie in Zukunft zusätzliche Vorteile bieten wird.

Wo sehen Sie das größte Entwicklungspotenzial bezogen auf den Markt sowie auf die Technik?
J. Hassmann: Gemäß des ZVEI liegt bei hocheffizienten Motoren ein Sparpotenzial von 10 % bezogen auf die gesamte Antriebstechnik. Weitere 30 % liegen in der Realisierung eines Antriebs mit Frequenzumrichter. Gerade bei Strömungsmaschinen, das heißt, Pumpen- und Lüfteranwen­dungen, spart der Ersatz eines mechanischen Ventils oder einer Drossel durch einen Frequenzumrichter enorm viel. In der EU-Verordnung wird diese Tatsache berücksichtigt, indem ab 2015 bzw. 2017 als Alternative zum IE3-Motor ein IE2-Motor mit Frequenzumrichter erlaubt ist. Das rest­liche Sparpotenzial von 60 % sehen wir bei der Optimierung des gesamten Antriebsstrangs und der Gesamtan­lage.

C. Wieder: Auch bei der klassischen Elektromotorentechnik gibt es immer noch Entwicklungspotenziale um die Verluste zu reduzieren und somit die Energieeffizienz zu steigern. Als ein Beispiel hierfür sehen wir die LSPM-Technologie (Line Start Permanent-Magnet Motor) zur Erreichung der Wirkungsgradklassen und einer kompakten Bauform.
Weiterhin bietet die Betrachtung des Gesamtsystems – bestehend aus Getriebemotor und Frequenzumrichter – für die Anwendung deutliche Vorteile. Entwicklungspotenzial besteht in der konsequenten Zusammenführung der Mechanik (Getriebe, Motor) mit der Elektronik (Frequenzumrichter, Motion Control) zu einem energieeffizienten mechatronischen System.
Mit der Zielrichtung zur Energieeinsparung und somit zum weltweiten Schutz der Umwelt sollten die bestehenden Ausnahmeregelungen reduziert werden.

A. Keiger: Bekanntlich werden im Industriebereich die größten Einsparungspotenziale gesehen, deshalb konzentrieren sich viele Entwicklungen in diese Richtung. Die Vorstellung des Synchron-Reluktanzmotors – mit Frequenzumrichtern als Antriebspaket verbunden – ist ein Beispiel für neueste Innovationen in der Antriebstechnik.

F. Wiedemann: Das größte Potenzial zur Energieeinsparung ist erst in zweiter Linie bei effizienter arbeitenden Motoren – also im direkten Geltungsbereich der Richtlinie – zu suchen. Zweifellos liegt die größte Chance in der Verwendung drehzahlvariabler Antriebe, dank denen Anlagen im optimalen Betriebsbereich arbeiten können. Die Richtlinie ist derzeit ausschließlich für Antriebe im Dauerbetrieb vorgesehen. Die Optimierung des gesamten Pakets aus Motor, Getriebe und Antriebselektronik bei geregelten Systemen ist aber für das Ziel, Ressourcen zu schonen, der wirkliche Königsweg. Mit der allgemeinen Sensibilisierung für das Thema hat die ErP-Richtlinie 2009/125/EG , obwohl sie diesen Bereich selbst außer Acht lässt, solchen Überlegungen auf jeden Fall den Weg geebnet.

C. Grabner: Das größte Entwicklungspotenzial sieht ATB in Bezug auf die ErP-Richtlinie 2009/125/EG für Asynchronmaschinen in den vielen kundenspezifischen IE-Ausführungen, die aus unserem Baukasten der IE-Standardreihen abgeleitet werden. Schließlich haben Kunden aus unterschiedlichen Branchen voneinander stark abweichende Anforderungen an das jeweilige Produkt.

T. Steinmann: Die größten Entwicklungspotenziale liegen einerseits in der bedarfsgerechten Dimensionierung der Antriebssysteme und andererseits in der intelligenten Zuführung von Energie. „Nur soviel, wie wirklich nötig“, ist der Schlüssel zum Erfolg.

In Österreich unterstützt ein Förderprogramm den Einsatz von IE3-Antrieben. Wäre das nicht auch für Deutschland sinnvoll?
C. Grabner: Die Umweltförderung des Lebensministeriums in Österreich hat folgende Zielgruppen:
• Unternehmen,
• Vereine und konfessionelle Einrichtungen sowie
• Einrichtungen der öffentlichen Hand in Form eines Betriebs mit marktbestimmter Tätigkeit.
Die bis zum 31.12.2012 befristete Förderungsaktion für Antriebe soll den österreichischen Unternehmen einen vorzeitigen Umstieg auf die ab 2015 vorgeschriebenen Motoren mit dem höchsten Energieeffizienzniveau ermöglichen. Eine ähnliche Initiative wäre auch für Deutschland wünschenswert.

A. Keiger: Jedes Programm, das die Einsparung von Energie unterstützt und den Anwender animiert, schneller in dessen Umsetzung zu gehen, ist grundsätzlich zu begrüßen.

T. Steinmann: Förderungen wie diese sind natürlich willkommene Reize. Ein „Verkaufsverbot“, wie es die ErP-Richtlinie darstellt, sorgt noch lange nicht für eine Marktakzeptanz. Seitens der Motorenhersteller war bislang viel Überzeugungsarbeit zu leisten, die ein solches Förderprogramm vereinfachen könnte.
Auf der anderen Seite ist jedoch auch zu beachten, dass ein IE3-Motor nicht in jeder Anwendung Energie spart. Bei häufigen Drehzahländerungen kann der Energiebedarf sogar steigen. Daher sollten sich Förderungen nicht auf eine einzelne Technologie reduzieren, sondern die nachweisbare Reduzierung des Energieverbrauchs belohnen.

F. Wiedemann: Förderprogramme können die Durchsetzung und Nutzung moderner Technologien natürlich beschleunigen, aber man muss den Schritt von IE2 zu IE3 nicht unbedingt zusätzlich forcieren. Zur Sache selbst: Einen wirklichen Meilenstein mit viel stärkerem ökologischen Effekt markiert der Umstieg von Festdrehzahl-Motoren auf intelligente geregelte Systeme, wann immer er sinnvoll und möglich ist. Die damit erreichbaren Energiekosteneinsparungen stellen die kumulativen Effekte der verschärften Energieeffizienzanforderungen für Motoren, auch wenn man den Schritt zu IE2 und den zu IE3 zusammenrechnet, klar in den Schatten.

J. Hassmann: Förderprogramme für Energieeffizienz sind sicherlich sinnvoll, um einen Anreiz für den Umstieg auf hocheffiziente Motoren zu schaffen. Weitaus wichtiger ist meiner Meinung nach jedoch, dass der Anwender selbst erkennt, dass sich die Umstellung auf energieeffizientere Motoren rechnet. Da beim Motor über 90 % der Kosten auf die Energiekosten entfallen, wirken sich höhere Wirkungsgrade direkt auf diese Kosten aus. Der anfangs höhere Preis wird durch Einsparungen beim Energieverbrauch ausgeglichen – oft in weniger als einem Jahr. Damit unsere Kunden sich das Sparpotenzial einfach selbst berechnen können, bieten wir unter www.siemens.de/energiesparrechner im Internet einen Energiesparrechner an.

C. Wieder: Die Umstellung auf energieeffiziente IE3-Antriebe mit Unterstützung durch regionale Förderprogramme sehen wir nur bedingt als nützlich an. Aus unserer Sicht ist es wichtiger, dass es klare Vorgaben und Richtlinien für den Einsatz von energiesparenden Antrieben gibt und diese auch umgesetzt werden. Die EU-Motoren-Verordnung (640/2009), basierend auf der ErP-Richtlinie, gibt für die EU den Zeitplan für den Einsatz von Energiesparmotoren bzw. die Kombination Motor und Frequenzumrichter vor.

Was passiert mit den Antrieben, die bisher noch nicht in der IEC 60034-30 enthalten sind?
T. Steinmann: Mittelfristig werden hocheffiziente Motoren, zum Beispiel der Effizienzklasse IE2, zum generellen Marktstandard werden. Da die Einsparpotenziale für die Anwender überaus reizvoll sind, werden sich energieeffiziente Technologien unabhängig von der IEC 60034-30 durchsetzen.

F. Wiedemann: Wir gehen davon aus, dass dort, wo es energetisch sinnvoll ist, die ErP-Richtlinien in Zukunft noch erweitert werden. Die bisherigen Diskussionen dazu in der Branche und in den zuständigen Institutionen sind aber noch zu unübersichtlich für konkrete Prognosen.

C. Grabner: Die Normungsarbeit hinsichtlich energieeffizienter Antrieb schreitet hierzu auch voran: Es wird bereits in der IEC WG31 an der zweiten Ausgabe der IEC 60034-30 gearbeitet, die von der Konzeption dann auch andere Antriebsarten umfassen soll.

C. Wieder: Die aktuellen Aktivitäten in den Normungsgremien belegen, dass an der Festlegung weiterer Wirkungsgradklassen und der Erweiterung auf weitere Motortechnologien bzw. -ausführungen konkret gearbeitet wird. Wir gehen davon aus, dass es in absehbarer Zukunft Wirkungsgradvorgaben auch für permanenterregte Synchronmotoren, Einphasen-Motoren, Reluktanz-Motoren und auch für Antriebssysteme (Motor und Frequenzumrichter) geben wird. Die Vorgaben zur Wirkungsgradklasse IE4 wenden wir bereits heute für unsere höchsteffizienten Antriebsprodukte an.

A. Keiger: Nimmt man es mit der Energieeinsparung ernst, wird es über kurz oder lang eine Ausweitung der ErP-Richtlinie auf noch heute nicht betroffene Antriebe oder vor allem Antriebssysteme geben. Insbesondere der vollständige Systemansatz einschließlich der mechanischen Komponenten sowie die detaillierte Dimen­sionierung von Anlagen und Systemen werden in Zukunft verstärkt im Mittelpunkt stehen.

J. Hassmann: Für Motoren mit Leistungen unterhalb von 750 W bieten wir zwei Effizienzklassen an. Motoren mit mehr als 375 kW haben bereits einen guten Wirkungsgrad. Auch explosionsgeschützte Motoren, die von der Einführung von Mindestwirkungsgraden ausgenommen sind, bieten wir heute in hocheffizienten Varianten an. Der Kunde möchte die Wahl haben, seine Anlage energieeffizient zu betreiben und wir stellen die Motoren zur Verfügung.

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Autor: Frank Nolte