A A A
| Sitemap | Kontakt | Impressum | Datenschutz
ETZ Logo VDE Verlag Logo

Die Teilnehmer der Podiumsdiskussion: Dr. Manfred Oesterle, Christian Mieslinger, Frank A. Maier, Karl-Peter Simon, Jürgen Sander, Dr. Peter Zwanziger (v.l.n.r.)

Energieeffiziente Antriebstechnik systematisch betrachtet

Frank A. Maier ist Vorstand der Lenze SE, Hameln

Christian Mieslinger ist Global Business Development Manager von Danfoss VLT Antriebstechnik, Offenbach

Dr.-Ing. Manfred Oesterle leitet den Konzernbereich Automation und Antriebe der KSB AG, Frankenthal

Dipl.-Ing. (FH) Jürgen Sander ist Geschäftsführer der VEM Motors GmbH, Wernigerode

Die neue Norm EN 50598 liefert Ansätze zur energieeffizienten Auslegung von Antriebssystemen. Sie erweitert die Energieeffizienzanforderungen von der Einzelkomponente auf das Gesamtsystem. Über die Anforderungen an die Antriebstechnik und – daraus resultierend – an Maschinen- und Anlagenbauer diskutierten auf der SPS IPC Drives Frank A. Maier (Lenze SE), Christian Mieslinger (Danfoss VLT Antriebstechnik), Dr. Manfred Oesterle (KSB AG), Jürgen Sander (VEM/CEMEP), Karl-Peter Simon (Bauer Gear Motor GmbH) und Dr. Peter Zwanziger (Siemens AG) unter der Moderation von Frank Nolte.

Am Anfang der Gesprächsrunde erläuterte Dipl.-Ing. (FH) J. Sander, Geschäftsführer von VEM Motors und Präsident des europäischen Verbands CEMEP, die aktuelle Normungssituation: „Für uns als Organisation aller Antriebshersteller ist es eine große Herausforderung, die Fülle und Möglichkeiten der Standards und Regelungen praxiswirksam für Hersteller und Nutzer in den Markt zu bringen. Dabei beschäftigen wir uns schon seit mehr als 15 Jahren mit dem Thema Energieeffizienz. Damals wurden Drehstrom-Niederspannungsmotoren auf der Basis einer freiwilligen Selbstverpflichtung in die Wirkungsgradklassen EFF3, EFF2 und EFF1 eingeteilt und vermarktet. Die Norm IEC 60034-30 definierte dann 2008 die Wirkungsgradklassen IE1, IE2 und IE3 für Drehstrommotoren. Am 21. Oktober 2009 trat eine Neufassung der EuP-Richtlinie (2005/32/EG) in Kraft (2009/125/EG), welche die Anforderungen auf die umweltgerechte Gestaltung energieverbrauchsrelevanter Produkte erweiterte (ErP – Energyrelated Products). Zum 1. Januar 2015 tritt nun die nächste Stufe der sogenannten Ökodesign-Richtlinie in Kraft. Dann müssen in Verkehr gebrachte Drehstromasynchronmotoren mit einer Nennausgangsleistung von 7,5 kW bis 375 kW die Energieeffizienzklasse IE3 erreichen. Alternativ müssen Motoren der Energieeffizienzklasse IE2 mit einer Drehzahlregelung durch Frequenzumrichter ausgestattet sein. Es hat sich jedoch gezeigt, dass nur auf den Motor fokussierte Maßnahmen nicht ausreichen, um die verbindlichen Ziele der Motorenverordnung zu erreichen. Mit der europäischen Normenreihe EN 50598, die Ende 2014 in Kraft tritt, schließt die europäische Gesetzgebung diese Lücke und verlagert den Fokus von einzelnen Antriebskomponenten auf ganze Antriebssysteme.“ Dr. P. Zwanziger, Leiter der Abteilung Verbandspolitik und Normung bei der Siemens AG ergänzte dazu: „Die neue Norm leistet einen substanziellen Beitrag zur Verbesserung des Gesamtverständnisses von industrieller Energieeffizienz. Der Fokus liegt damit nicht mehr ausschließlich auf einzelne Komponenten, wie beispielsweise bei der Motorenverordnung. Durch den Trend zur drehzahlveränderbaren Antriebstechnik muss sowohl das Zusammenspiel der Komponenten in einem Antriebsstrang als auch die jeweilige Applikation berücksichtigt werden, um zielführend zu mehr Energieeffizienz in der Industrie zu gelangen. Natürlich sind mit der neuen Norm auch einige Herausforderungen verbunden. So müssen nun erweiterte Spezifikationen für Motor- und Antriebssysteme ermitteln werden. Außerdem sind im Hinblick auf den erweiterten Produktansatz, welcher der EN 50598 zugrunde liegt, noch reichlich Erfahrungen zu sammeln.“

Karl-Peter Simon ist Managing Director und Präsident der Bauer Gear Motor GmbH, Esslingen

Dr. Peter Zwanziger leitet die Abteilung Verbandspolitik und Normung bei der Siemens AG, Nürnberg

Nutzen für den Anwender
Auf die Frage, was denn der Anwender von der neuen Norm habe, schließlich träte doch bereits am 1. Januar 2015 die nächste Stufe der ErP-Richtlinie in Kraft, antwortete C. Mieslinger, Global Business Development Manager von Danfoss VLT Antriebstechnik: „Die ErP-Richtlinie ist auch weiterhin bindend, während die Normenreihe EN 50598 nur ein Vorschlag ist. Allerdings ist diese einfach praxisrelevanter, da sie die Betriebsweise von Produkten bei der Effizienzbetrachtung berücksichtigt. Außerdem haben Anwender mit ihr nunmehr die Möglichkeit, Komponenten verschiedener Hersteller zu einem System zu verknüpfen und anhand der Norm die Systemklasse – auch hinsichtlich der ökologischen Bewertung – zu definieren.“ F. A. Maier, Vorstand der Lenze SE, ergänzt: „Wir halten die alleinige Spezifizierung von Komponenten für unzureichend. Die Erfahrung hat gezeigt, dass ein Motor mit einem hohen Wirkungsgrad nicht automatisch die größte Energieeinsparung bringt – außer er arbeitet direkt am Netz bei einer festen Drehzahl im Punkt mit dem höchsten Wirkungsgrad und ist nicht überdimensioniert. Wesentlich größer ist das Potenzial für die Energieeinsparung, wenn man den kompletten Antriebsstrang betrachtet. Dementsprechend gab es auch aus unserem Haus die Forderung alle Betriebsarten im Sinne einer Systembetrachtung stärker einzubeziehen. Das ist mit der neuen Norm gelungen.“ Natürlich müssen sich durch den umfassenden Geltungsbereich der Norm mehr Hersteller als bisher mit dem Thema Energieeffizienz befassen, so K.-P. Simon, Managing Director und Präsident von Bauer Gear Motor. In erster Linie sieht er jedoch den Nutzen für den Anwender: „Die einzelnen Komponenten eines Antriebsstrangs weisen unterschiedliche Energieeinsparpotenziale auf. Ein besonders hohes Potenzial hat in vielen Anwendungen die Drehzahlregelung von Elektromotoren durch Frequenzumrichter. Aber auch die Motoren selbst und das Getriebe bieten Einsparmöglichkeiten durch hohe Wirkungsgrade. Eine Systemoptimierung hilft, die vorhandenen Sparpotenziale besser auszuschöpfen. Mit der neuen Norm haben Anwender die Möglichkeit ein Gesamtsystem zu beurteilen, wobei das System nicht von nur einem Hersteller kommen muss. Der Anwender kann sich somit die besten Komponenten für seine Applikation aussuchen und diese auch im Teillastbereich beurteilen, sodass er am Ende eine verlässliche Aussage über den realen Energieverbrauch bekommt.“

Praxisnahe Bewertungskriterien
Ob der Anwender denn tatsächlich flexibler agieren könne und bessere Möglichkeiten geboten bekäme, so die Frage an Dr.-Ing. M. Oesterle, Leiter des Konzernbereichs Automation und Antriebe der KSB Aktiengesellschaft der – stellvertretend für die Pumpenbranche – meinte: „Aus Anwendersicht sind wir froh, endlich einen Standard und eine Methodik an der Hand zu haben, die tatsächlich dazu geeignet ist, Energieeffizienz im gesamten Antriebsstrang zu beziffern. Mit der EN 50598 lassen sich unterschiedliche Kombinationen von Komponenten inklusive der Arbeitsmaschine energetisch bewerten. Wir kommen damit endlich weg von abstrakten Wirkungsgraden und können Verluste klar identifizieren. Anwender haben so die Möglichkeit zu überlegen, ob sie mehr investieren und die Zusammenstellung von Komponenten optimieren wollen, um noch mehr Energie zu sparen – selbst wenn die Einstiegskosten etwas höher sind. Ich glaube, mit diesem Standard ist ein Riesendurchbruch erzielt worden.“ Dazu ergänzte C. Mieslinger: „Heute werden vor allem die Komponenten durch den Gesetzgeber in der Energieeffizienz reglementiert. Dabei wird versucht, den Wirkungsgrad auf Komponentenebene zu optimieren. Der damit erzielbare Effekt liegt jedoch im unteren einstelligen Prozentbereich. Auf der anderen Seite sind die Maschinenbauer von Brüssel gehalten, eine Gesamtenergiebilanz für ihre Maschine zu erstellen. Die Lücke zwischen Einzelkomponente und Gesamtsystem wird mit der neuen Norm geschlossen. Sie liefert Referenzwerte, um alle Komponenten des Systems hinsichtlich der Energiebilanz auf analytischem Wege einzuschätzen.“

Auf die Einzelteile kommt es an
J. Sander hob hervor, dass die einzelnen Komponenten trotzdem weiterhin eine wichtige Rolle spielen: „Vor dem Hintergrund, dass in der Industrie 70 % der Energie durch Antriebsanwendungen verbraucht werden, bietet sich ein großes Einsparpotenzial. Dementsprechend ist auch verständlich, dass die Gesetzgebung hier ansetzt. Als Antriebshersteller schätzen wir, dass in 2020 50 % von allen Neuinvestitionen bei Komponenten im Bereich der Motor- und Antriebstechnik getätigt werden – gegenüber den heute üblichen 20 % bis 25 %. Wenn die Hersteller von Einzelkomponenten in Konzepten denken, neue Kompetenzen entwickeln und sich klar positionieren, können sie hiervon profitieren.“ Einen weiteren positiven Aspekt hob C. Mieslinger hervor: „Bei der Systembetrachtung darf man nicht aus den Augen verlieren, dass die Komponenten nach wie vor separat betrachtet werden können. Die Verlustleistung des Systems ergibt sich aus der einfachen Addition der Verluste der Einzelteile. Die Verlustbetrachtung hilft auch dabei, die Effizienz einer Anlage über den gesamten Lebenszyklus zu betrachten. Meisterns werden Maschinen immer noch in erster Linie mit Hinblick auf die Investitionskosten eingekauft. Diese machen über den ganzen Lebenszyklus jedoch nur einen Anteil von 10 % bis 15 % der Gesamtkosten aus. Es ist zu hoffen, dass mit der neuen Norm die Energieeffizienz einer Maschinen stärker in den Vordergrund rückt und die Betriebskosten, die 85 % der Gesamtkosten ausmachen, stärker berücksichtigt werden.“

Eine Verlustfrage
Auf die Frage welchen Vorteil die Verlust- im Vergleich zur Wirkungsgradbetrachtung habe antwortete M. Oesterle: „Der Wirkungsgrad ist immer nur an einem Punkt definiert, sodass es beispielsweise schwer fällt, ihn bei einer Welle zu definieren, wenn diese steht. Der Charme des neuen Modells liegt darin, dass Verlustbeiwerte der Komponenten den Gesamtverlust des Systems definierbar machen. Die Übertragung in die betriebswirtschaftliche Welt ist einfach, denn mit dem energetischen Verlust geht auch ein finanzieller einher, und die Aufdeckung von Kostensenkungspotenzialen in den Prozessen ist griffiger als eine rein physikalische Definition.“ Dass die EN 50 598 Herstellern von Motoren, Umrichtern oder Antriebssystemen eine ganz andere Art der Argumentation für Energieeffizienz an die Hand gibt, glaubt auch P. Zwanziger: „Anhand der Verlustbetrachtung sind mögliche Antriebslösungen viel besser vergleichbar. So lassen sich zum Beispiel die Verluste eines Umrichters mit einem jetzt gesetzlich geforderten IE2- oder IE3-Motor oder etwa mit unterschiedlichen Motorenarten wie Asynchron-, Synchron- oder Reluktanzmotor gegenüberstellen. Das hilft bei der Beratung der Kunden, da gerade im Teildrehzahlbereich Verluste für die Effizienz eines Systems aussagekräftiger sind als Wirkungsgrade.“ Das bekräftigte F. Maier: „An bestimmten Betriebspunkten kann man mit einem Wirkungsgrad gar nichts anfangen. Beispielsweise ist die abgegebene mechanische Leistung bei einem Hubwerk im Stillstand logischerweise Null. Es wird aber natürlich elektrische Energie zugeführt, um die Last zu halten, damit ist der Wirkungsgrad Null. Die Betrachtung macht also hier keinen Sinn, die Betrachtung über die Verlustleistung aber sehr wohl.“ Mit diesem systematischen Ansatz der Verlustbetrachtung werden elektrisch angetriebene Arbeitsmaschinen besser adressiert, ist sich K.-P. Simon sicher: „Die Norm gibt Maschinenbauern, Systemintegratoren ebenso wie Endanwendern die Möglichkeit, sich sehr viel genauer mit der Frage auseinanderzusetzen, was denn tatsächlich der Energiebedarf oder die Effizienz einer Anlage ist. Mit ihr wurden sozusagen ,Leitplanken’ für eine systematische Analyse auf Basis bestehender Antriebskomponenten festgelegt.“

Systemdefinition
Ein Problem ist sicherlich, dass jeder etwas anderes unter dem Begriff System versteht. P. Zwanziger antwortete auf die Frage, was denn laut der EN 50598 darunter falle: „Laut der neuen Norm besteht ein System aus der Steuereinheit – das kann ein Frequenzumrichter oder ein Schaltgerät sein – dem Motor, der Übertragungseinheit und der angetriebenen Anwendung. Dieser ganze Bereich nennt sich allgemein in der Norm „Motorsystem“, im Falle eines Frequenzumrichters ist es ein Power Drive System (PDS).Ein Bestandteil davon ist das Complete Drive Module (CDM), welches den Drive Controller inklusive Ein- und Ausgangskomponenten sowie Einspeiseeinheit und Zubehör enthält.“ F. Maier führte weiter aus: „Die Norm reicht in ihren Referenzkomponenten von der Einspeisung bis zur Motorwelle. Als Option werden Komponenten, wie zum Beispiel Eingangsdrosseln, Filterkomponenten oder erweiterte Stromversorgungen, verstanden. Diese Komponenten sind dann bei dem System zu berücksichtigen, wenn sie zusätzliche Verluste größer als 5 W bzw. 0,1 % der Ausgangsleistung verursachen. Generell müssen alle Verluste – auch durch Hilfskomponenten verursachte – betrachtet und eingerechnet werden. Das ist aber keine große Zauberei.“ Auch wenn die Norm sehr umfangreich sein, betonte K.-P. Simon dass ihre Anwendung keinen Techniker vor große Herausforderungen stelle: „Um den Mess- und Berechnungsaufwand zu vereinfachen, sind die Verluste der Antriebssysteme (Motorsysteme) sowie der Antriebskomponenten Motor, Drive Controller und Softstarter in acht festgelegten Betriebspunkten im Drehmoment über ein Drehzahl-Kennlinienfeld festgelegt. Damit sind alle gängigen elektrisch angetriebenen Arbeitsmaschinentypen abgedeckt – quadratischer, konstanter, linearer und hyperbolischer Drehmomentenverlauf. Durch die Verlustangaben in den Arbeitspunkten der Teillast werden die Vorteile eines drehzahlveränderbaren Antriebs deutlich. Darüber hinaus ist eine Einstufung von Frequenzumrichtern und Motorsystemen in Effizienzklassen vorgesehen, nach der eine einfache Einordnung erfolgen kann. Die ErP-Richtlinie gilt bekanntlich nur für Asynchronmotoren im Leistungsbereich von 7,5 kW bis 375 kW. Die Frage, welche Motoren in der EN 50598 berücksichtigt werden, beantwortete J. Sander: „Die Referenzdaten beziehen sich zunächst nur auf Asynchronmotoren, sind aber für alle technischen Auslegungen anwendbar. Wir arbeiten aber daran, andere Antriebstechnologien mit aufzunehmen.“ Woran das Normungsgremiun noch arbeitet, erläuterte P. Zwanziger: „Der nächste Schritt wird sein, aus der europäischen eine internationale Norm zu machen. Dieser Prozess läuft bereits. Wir gehen davon aus, dass es noch 2015 eine entsprechende, gleichlautende IEC-Norm geben wird. Sie wird voraussichtlich größtenteils auf der EN-Norm beruhen. Lediglich eine globale Anpassung, beispielsweise die Aufnahme von 60-Hz-Bedingung, ist zu erwarten.“

Umsetzung in die Praxis
Abschließend berichteten die Gesprächsteilnehmer noch, was die einzelnen Unternehmen tun, um die Norm umzusetzen und den Maschinenbauer beim Einsatz der EN 50598 zu unterstützen. Den Anfang machte P. Zwanziger: „Die Werte, die der Anwender für die Berechnung der Verluste seines Antriebssystems benötigt, sind in der Norm definiert. Die erforderlichen Werte kann er bei seinem Lieferanten anfragen. Angesichts des sehr umfassenden Antriebsportfolios von Siemens ist es für uns im Grunde selbstverständlich, stets das Zusammenspiel von Antriebskomponenten zu optimieren, um Energiesparpotenziale maximal auszuschöpfen. Unseren Kunden können wir deshalb, unter dem Typbegriff „Integriertes Antriebssystem“ (IDS), optimal aufeinander abgestimmte Antriebskomponenten für die Effizienzoptimierung ihrer elektrisch angetriebenen Arbeitsmaschinen in allen relevanten Betriebspunkten bieten.“ Wie VEM Motors die neue Norm umsetzt erläuterte J. Sander: „Als mittelständisches Unternehmen sind wir zwar noch nicht lange dabei, die Regelungen der Motorenverordnung umzusetzen, aber wir sind auf einem guten Weg. Gerade als Komponentenhersteller müssen wir uns entsprechend qualifizieren und Dokumentation schaffen, um im System einen Platz zu finden. Ich bin mir jedoch sicher, dass wir den Anwendern Anfang 2015 alle notwendigen Informationen liefern können, wenn die EN 50598 wirklich vorliegt.“ K.-P. Simon unterstrich, dass Bauer Gear Motor gut aufgestellt sei: „Natürlich werden wir rechtzeitig alle Daten unserer heutigen Motoren veröffentlichen. Parallel haben wir eine neue Motorenreihe entwickelt, die nicht nur auf den Nennbetrieb, sondern auch auf Teillastbetrieb hin optimiert ist und so zusätzliche Einsparungen von mehr als 30 % ermöglicht. Die neue Norm unterstützt uns dabei, dies transparent darstellen zu können. Gemeinsam mit dem ZVEI arbeiten wir an einem Software-Tool, das die Anwendung der EN 50598 erleichtern und die Durchführung einfacher Berechnungen ermöglichen soll. Zur Hannover Messe soll das Tool verfügbar sein.“ Laut F. Maier ist auch Lenze bereit für die systematische Antriebsbetrachtung: „Die konsequente Umsetzung der neuen Norm liegt uns sehr am Herzen. Wir sind schon seit einiger Zeit dabei unsere Einzelkomponenten zu vermessen, um den Anwender die erforderlichen Daten frühzeitig zur Verfügung stellen zu können. Zudem verstehen wir uns ohnehin schon immer als Lösungsanbieter, der über die geeignete Kombination von Motoren, Getrieben und Umrichtertechnik ergänzt um die optimierte Bewegungsführung, im Sinne der Norm energieeffiziente Systemlösungen schafft.“ Die intensive Zusammenarbeit mit verschiedenen Gremien ist laut C. Mieslinger auch für Danfoss ein wichtiger Punkt: „Wir beteiligen uns aktiv an der Normungsarbeit und sind ebenso in verschiedenen Ausschüssen vertreten, die der Norm zuarbeiten. Dementsprechend haben wir die EN 50598 von Anfang an begleitet und uns frühzeitig mit ihrer Umsetzung befasst. So haben wir für unsere Frequenzumrichter bereits sämtliche Teillastverluste ermittelt und in die Handbücher sowie die entsprechende Literatur aufgenommen. Desweiteren unterstützen wir sämtliche Motortechnologien, speziell im Hinblick auf Effizienzsteigerung, mit Regelalgorithmen und Identifikationsläufen.“ Das Abschluss-Statement übernahm M. Oesterle von KSB: „Auch als Komponentenanbieter haben wir uns schon sehr früh mit dem Systemansatz beschäftigt. Mit der Kampagne Fluidfuture haben wir schon einiges vorweggenommen, das jetzt in der Norm Niederschlag findet. Das Energieeffizienz-Konzept Fluidfuture untersucht das gesamte hydraulische System und zeigt alle Möglichkeiten auf mit denen sich Prozesse und Anlagen optimieren lassen. Die fünf Bausteine ermöglichen es die Energiekosten eines hydraulischen Systems zu senken – über den gesamten Lebenszyklus der Anlage hinweg. Außerdem haben wir mit der Synchron- Reluktanz-Technologie eine „alte Technologie“ wachgeküsst und verfahren generell nach dem Motto: ´Tue Gutes und rede darüber´. Deswegen sitzen wir jetzt auch hier und stellen die Norm EN 50598 vor.“ (no)

Der Beitrag als pdf