Energieeffiziente Antriebe ein Aspekt beim Energiemanagement. 1 Einleitung

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1 Energieeffiziente Antriebe ein Aspekt beim Energiemanagement Prof. Dr.-Ing. Rolf Hanitsch Institut für Energie- und Automatisierungstechnik TU Berlin 1 Einleitung In der derzeitigen EU-15 Konstellation werden etwa 35 % der gesamten Primärenergie zur Bereitstellung elektrischer Energie eingesetzt. Bei dieser Energiewandlung entsteht ein Beitrag von ca. 30 % an der gesamten CO2 Emission. In den typischen europäischen Industrienationen werden dann rund 60 % der elektrischen Energie mit Elektromotoren in mechanische Energie gewandelt. Der Wirkungsgrad der Elektroantriebe liegt ohne Zweifel erheblich über dem der Verbrennungsmotoren. Daraus darf aber nicht abgeleitet werden, daß das Effizienzziel erreicht ist. Wirkungsgradverbesserungen von nur wenigen Prozent bringen beachtliche Energieeinsparungen, wie Beispiele belegen. Die EU-Kommission hat in ihrem Weißbuch für erneuerbare Energien in 1997 einen Anteil von 12 % regenerative Energien also eine Verdopplung des Deckungsbeitrags bis 2010 zum Ziel erklärt. Dies ist allerdings eine Minimalanforderung. Ohne Zweifel wird die Windenergie einen wesentlichen Beitrag zur Erreichung dieser Zielvorstellungen leisten. Damit ist der Entwicklung von Tagungsdokumentation Fortschritte in der Energieeffizienz 15

2 energieeffizienten Generatoren für Windturbinen eine große Bedeutung beizumessen. Anhand von zwei Tabellen soll gezeigt werden, wo die Einsparpotentiale liegen und welche Motorentypen in welchen Verbrauchssektoren überwiegend zum Einsatz kommen. Im Rahmen eines Energiemanagement-Programms könnte das Ziel definiert werden, vornehmlich die elektrische Energieversorgung und -anwendung zu analysieren /18/. Da es Unternehmen gibt, in denen Tausende von Elektromotoren arbeiten, sollte bei der Durchführung der Ist-Analyse der elektrische Energieeinsatz sorgfältig meßtechnisch untersucht werden, um Schwachstellen zu identifizieren und Verbesserungsmöglichkeiten aufzeigen zu können. Es wird sich herausstellen, daß der Kaufpreis der elektromechanischen Energiewandler, gemessen an den Kosten für die anfallenden Verluste im Betrieb sehr klein ist. Betrachtet man anstelle von Industriebetrieben den Haushaltssektor, so steht dort der Energieeinsatz für die Heizung im Vordergrund. Tabelle 1: Energieeinsatz nach Verbrauchergruppen in Deutschland Gruppe Anteil % Motortypen im Einsatz Industrie 29 Drehstrommotoren (Asynchronmotoren, Synchronmotoren, Sondermaschinen) Verkehrswesen 27 Drehstrommotoren, Gleichstrommotoren Haushalte 27 Kondensatormotoren, Bürstenlose Gleichstrommotoren, Spaltpolmotoren Kleinverbraucher 17 Drehstrommotoren, Einphasenstrommotoren Betrachtet man den Endenergie- Verbrauch im Haushalt, so ergibt sich folgende Tabelle 2: 16 Tagungsdokumentation Fortschritte in der Energieeffizienz

3 Tabelle 2: Aufteilung der Endenergie im Haushalt in Deutschland Einsatzsektor Anteil % Antriebe Heizung 77 Asynchronmotoren für Ölpumpe und Umwälzpumpe Warmwasser 12 Asynchronmotor, Zirkulationspumpe Hausgeräte 10 Einphasenmotoren in Hausgeräten: Spaltpol-, Kondensatormotoren, Widerstandsläufer etc. Licht 1 Blickt man auf die Tabelle 2, so sollte einer der Schwerpunkte der Energieforschung der Gebäudebereich sein, wobei wesentliche Faktoren für die Verbesserung der Situation in der Bedarfsreduktion im Wärmebereich eine konsequente Wärmedämmung sowie durchdachtes Planen der Lüftungs- und Heizsysteme sind. Der heutige Wärmeverbrauch eines guten Neubaus liegt bei 3 l Heizöl/ m²a, während Altbauten immer noch 15 l Heizöl/m²a und mehr benötigen. Man könnte einen Zustand erreichen, wo das Heizungssystem überflüssig wird und die Temperierung der Wohnung allein durch die Wärmeverluste von Computern, Haushaltsgeräten und Glühlampen ohne Komforteinbuße erzielt wird. Hinzu kommen noch die Wärmeverluste durch die Hausbewohner. An die Stelle der klassischen Heizung tritt die Energiezentrale, ein innovatives Lüftungsgerät, das die Frischluft bedarfsabhängig mit der Wärme aus der Abluft vorheizt und auch das Brauchwasser vorwärmt. Auch bei diesem Konzept werden Lüfter und Pumpen von Elektromotoren in Verknüpfung mit leistungselektronischen Stellgliedern angetrieben. Eine wichtige Aufgabe ist folglich die Energieeffizienz von Elektromotoren zu steigern, um eine nachhaltige Energieversorgung langfristig zu ermöglichen. Tagungsdokumentation Fortschritte in der Energieeffizienz 17

4 2 Elektromotorische Energiewandler Anstelle der Betrachtung des kompletten Antriebssystems, wie z.b. eines drehzahlvariablen Pumpenantriebs, soll im folgenden der Schwerpunkt nur auf die Energieeffizienz von Motoren bzw. Generatoren gelegt werden. Das Potential der Leistungselektronik im Rahmen von energiesparenden Antrieben wird zunächst nicht behandelt. Von den drei Grund-Motorfamilien wie Gleichstrommaschinen Synchronmaschinen Asynchronmaschinen soll die Asynchronmaschine in den Vordergrund gestellt werden, da 90 % der gesamten elektrischen Energie, die den Motoren zugeführt wird, mit Asynchronmotoren im Leistungsbereich von 0,75 kw bis 750 kw in mechanische Energie gewandelt wird. Eine Übersicht vermitteln die Tabellen 3 und 4. Tabelle 3: Elektrischer End-Energieeinsatz Typ der Last Industriesektor Tertiärer Sektor Motoren 69 % 36 % Wachstum/Jahr 1,5 % 2,2 % Beleuchtung 6 % 30 % Bürogeräte 25 % 34 % Der Verbrauch an elektrischer Energie für beide Sektoren beträgt etwa 900 TWh, wobei Motoren in dem unteren Leistungsbereich stark beteiligt sind. Tabelle 4 enthält eine Übersicht hochgerechnet für das Jahr Tagungsdokumentation Fortschritte in der Energieeffizienz

5 Tabelle 4: Energieeinsatz bei Asynchronmotoren Leistungsbereich (kw) Industriesektor (TWh) Tertiärer Sektor (TWh) 0,75-7, > 7, > > Wirkungsgradverbesserungen sind ein komplexes Aufgabenfeld, da verschiedene Akteure beteiligt sind: Hersteller, Händler, Gerätehersteller, (OEM... original equipment manufacturers) und Endnutzer /1, 10, 11, 12, 13/. Stehen schließlich energieeffiziente Motoren zur Verfügung, so sind weitere Hürden bei der Markteinführung zu überwinden, wie: Mangel an Informationen beim Endnutzer Fehlende Investitionsmittel Eigentümer des Motors zahlt nicht für die Betriebskosten Wartungsmaßnahmen werden unter Termindruck durchgeführt und nicht an Energieeffizienzverbesserung gemessen Mehrzahl der ausgefallenen Motoren wird nicht durch einen neuen ersetzt, sondern die Wicklung wird im Verlauf der Reparatur teilweise oder gar vollständig erneuert, was häufig zu einer Einbuße an Wirkungsgrad führt. Die Marktdurchdringung der energieeffizienten Motoren geht folglich langsam voran; sie liegt bei etwa 5 6 % pro Jahr, wenn man die mittlere Lebensdauer mit 15 Jahren ansetzt. Tagungsdokumentation Fortschritte in der Energieeffizienz 19

6 3 Wirkungsgrad Bei der Reduzierung der einzelnen Verlustposten in den Elektromaschinen hat es große Fortschritte in den letzten Jahren gegeben. Diese Entwicklung ist durch neue Werkstoffe, Werkstoffverbesserungen und die Optimierung der Abmessungen ausgelöst worden. Am folgenden Beispiel wird das Einsparpotential aufgezeigt. Tabelle 5: Motoren Vergleich Motortyp Parameter Standard Asynchronmotor Effizienter Asynchronmotor Leistung kw 3,7 3,7 Wirkungsgrad % 83,1 87,0 Betriebsdauer h (16h/d 250d) Energie kwh Einsparung kwh 800 Die Mehrkosten beim Kauf des energieeffizienten Motors werden bereits nach einem Jahr Betriebsdauer durch die Einsparung kompensiert. Die wirtschaftlichen Vorteile von energieeffizienten Motoren sind offenkundig. Daher hat die CEMEP (European Commission of Manufacturers of Electrical Machines and Power Electronics) auf Drängen der Kommission der EU - beschlossen, eine Wirkungsgrad-Kennzeichnung basierend auf drei Klassen einzuführen. Die Zuordnung basiert auf dem Wirkungsgrad bei 100 % Last. Die beste Klasse wird mit eff1, die schlechteste mit eff3 bezeichnet. Abbildung 1 zeigt die drei Wirkungsgrad-Klassen über der abgegebenen Leistung. Es wurde vereinbart, auf den Typenschildern die Wirkungsgrad- Klasse anzugeben und in der Dokumentation wird zusätzlich der Wirkungsgrad für 75 % Last ausgewiesen. Diese Vereinbarungen gelten nur für zwei- und vierpolige, dreiphasige, 50 Hz, 400 V-Motoren, die in der Betriebsart S1 gefahren werden. 20 Tagungsdokumentation Fortschritte in der Energieeffizienz

7 Im Bereich der Haushaltgeräte hat man sich für die Charakterisierung des Energieeinsatzes mittels Label entschieden, was aufgrund der integrierten Antriebskonzepte eine sinnvolle Lösung ist. Abb. 1: Wirkungsgrad-Klassen Tagungsdokumentation Fortschritte in der Energieeffizienz 21

8 3.1 Asynchronmaschine Für die Einzelposten der Verluste bei Asynchronmotoren kann man folgende Größenordnungen nennen: Tabelle 6: Verluste der Asynchronmaschine Verlustart Statorkupferverluste P Cu,1 Eisenverluste P Fe Zusatzverluste P Z Rotorkupferverluste P Cu,2 Reibungsverluste P Rbg Größenordnung der Verluste 1 5 % P N 0,5 3 % P N 0,5 % P N 0,5 6 % P N 0,5 1,5 % P N Betrachtet man vornehmlich die Summe der Verluste, so läßt sich der Wirkungsgrad schreiben als: (1) (2) Bei dem weit verbreiteten Typ der Asynchronmaschine mit Käfigläufer wird die Statorwicklung aus Kupferdraht ausgeführt und für den Rotorkäfig wird Aluminium im Rahmen der Fertigung mit Druck- oder Schleuderguß gewählt. Technologische Weiterentwicklungen ermöglichen es nun auch Kupfer im Rotor einzusetzen, was zu einer Reduzierung der Gesamtverluste um 15 bis 20 % führt. Eine Verbesserung von 1 % im Wirkungsgrad würde allein in den USA pro Jahr 3,5 Millionen Barrel Öl einsparen /15/. Messungen an Prototypen gemäß IEEE Spezifikation 112B belegen die theoretischen Überlegungen und zeigen 22 Tagungsdokumentation Fortschritte in der Energieeffizienz

9 folglich eine um 4,5 K reduzierte Endtemperatur. Verbesserte Qualitäten von Dynamoblech werden ebenfalls eingesetzt, um die Eisenverluste zu reduzieren. Anstelle einer Verlustziffer von 3,5 W/kg bei 1,0 T sind seit einiger Zeit Blechqualitäten im Angebot mit 1,0 W/kg und darunter. Durch den Einsatz von magnetischen Nutkeilen und einem verbesserten Lüfter lassen sich die Zusatzverluste und die Reibungsverluste weiter senken. Aus dieser Palette von Möglichkeiten wählen die Hersteller eine Kombination aus, um Motoren mit verbessertem Wirkungsgrad auf den Markt zu bringen. Wie Abb. 1 zeigt, sind noch nicht alle Hersteller in der Lage, die beste Effizienz-Klasse für ihre Produkte sicherzustellen. 3.2 Synchronmaschinen Neben dem Einsatz verbesserter Dynamoblechqualitäten und der Optimierung der Nut-Luftspalt-Geometrie kann man in vielen Anwendungen der Synchronmaschine die vom Erregerstrom durchflossene Feldwicklung, als Ort der Erregerverluste, ersetzen durch eine Anordnung von Permanentmagneten. Je nach Leistungsklasse und Anforderungsprofil können folgende Magnetklassen zum Einsatz kommen: Ferrite (Kleinmotoren, Industriemotoren) Samarium-Kobalt-Legierungen (Servoantriebe, Sondermotoren) NdFeB-Legierungen (Servoantriebe, Bürstenlose Gleichstrommotoren, Kleinstmotoren). Als junges Anwendungsfeld sind die permanenterregten Synchrongeneratoren zu nennen, die in modernen Windparks zu finden sind. Die 1,5 bis 1,8 MW Synchron-Generatoren sind charakterisiert durch eine hohe Polpaarzahl (z.b. 2p = 36), um auf das Getriebe verzichten zu können. Die Rotordrehzahl liegt zwischen 8 und 22 U/min. Eine 4,5 MW Windkraftanlage mit Permanentmagneterregung wurde im September 2002 in Deutschland errichtet. Das ist die zur Zeit größte Einheitsleistung mit Permanentmagneten als WEK. Eine weitere Entwicklung auf dem Gebiet der Synchrongeneratoren soll erwähnt werden, da sie auf der Erhöhung der Betriebsspannung infolge eines neuartigen Wicklungskonzepts beruht. Es handelt sich um den Powerformer der Fa. Alstom. In Tabelle 7 sind ausgewählte Daten zusammengestellt. Tagungsdokumentation Fortschritte in der Energieeffizienz 23

10 Tabelle 7: Kennwerte des Powerformers (50 Hz, zweipolige Ausführung) Leistung MW Spannung kv Wirkungsgrad % Spannung kv Wirkungsgrad % , , , , , , , ,0 Bei einem klassischen Synchrongenerator-Entwurf mit parallelflankigen Nuten und Standard-Isolierung ist die Betriebsspannung begrenzt auf 30 kv. Ein Neuentwurf der Nut ermöglicht, Hochspannungskabel für die Wicklung zu verwenden. Die Spannungsgrenze wird nun durch das Dielektrikum des Kabels vorgegeben /19/. Der wesentliche Vorteil ist, daß der Generator nun direkt in das Netz einspeisen kann und die Verluste im Transformator wegfallen. Gleichzeitig führt die hohe Spannung zu einem geringeren Strom mit geringerer Statorerwärmung. Das Ergebnis sind hohe Wirkungsgrade und reduzierte Wartungskosten, da weniger Komponenten das Energieversorgungssystem bilden. 3.3 Sondermaschinen Aufgrund der bisweilen komplizierten Geometrie von Sondermotoren, wie z.b. von hochpoligen bürstenlosen Gleichstrommotoren oder Transversalflußmotoren, bringen klassische Dynamoblechqualitäten hohe Eisenverluste. Durch die Verwendung von kunststoffgebundenen weichmagnetischen Werkstoffen (soft magnetic composites or bonded softmagnetic material) können fertigungstechnische Vorteile und Verlustreduktionen bewirkt werden. Besonders bei hochtourigen Antrieben machen sich die Vorteile dieser Werkstoffe bemerkbar. An die Stelle von Feldwicklungen zum Aufbau des magnetischen Feldes tritt der Einsatz von Hochenergie-Permanentmagneten. Samarium-Kobaltoder NdFeB-Magnete liefern bei richtiger Dimensionierung Luftspaltinduktionen, wie man sie früher nur mit der klassischen aber verlustbehafteten 24 Tagungsdokumentation Fortschritte in der Energieeffizienz

11 Feldwicklung erreicht hat. Damit fallen die Erregerverluste weg, die bis zu 5 % betragen können, und eine signifikante Wirkungsgradverbesserung tritt ein /9, 16/. Probleme, die mit der Temperaturempfindlichkeit und der Korrosion des Permanentmagnetmaterials anfänglich auftraten, sind überwunden. Motoren mit gesinterten Permanentmagneten werden eingesetzt bei Umgebungstemperaturen von über 150 C mit Grenzanwendungen bei 250 C. Unlängst hat eine deutsche Firma einen neuen Meilenstein im Bereich von gesinterten NdFeB-Magneten gesetzt /17/. Es wurden durch Optimierung von Legierungs-zusammensetzungen, Minimierung von Verunreinigungen und durch einen gesteuerten Sinterprozeß anisotrope Magnete mit einer remanenten Polarisation von 1,519 T, einer Koerzitivfeldstärke von 780 ka/m und einer maximalen Energiedichte von 450 kj/m³ bei 20 C hergestellt. Aufgrund der Temperaturkoeffizienten RTCB = - 0,11 %/K und RTCH = - 0,8 %/K ist der Anwendungsbereich auf maximal 80 C begrenzt. Dieses Material wird im Bereich Bürogeräte und Haushaltgeräte zu weiteren Wirkungsgradverbesserungen von bürstenlosen Gleichstrommotoren beitragen. Langfristig werden auch Hochtemperatur-Supraleiter zur Reduzierung der Verluste eingesetzt werden. Mit diesen Materialien läßt sich die Motorleistung bei gleicher Baugröße verdoppeln, gleichzeitig halbieren sich die Verluste /20/. 4 Zusammenfassung Um zu einer nachhaltigen Entwicklung auf dem Energiesektor zu kommen, sind folgende Bereiche zu nennen: effiziente Wandlung von fossilen Energieträgern, effizienter Einsatz von regenerativen Energiequellen durch Ausnutzung der Möglichkeiten, die die verbesserten elektrischen Maschinen und die Leistungselektronik bieten: gute Beispiele sind bei Windenergienutzung und Photovoltaik-Anlagen zu finden, effiziente Energienutzung auf der Nachfrageseite durch Nutzung von hocheffizienten elektromechanischen Energiewandlern und Schaffung sowie Strukturierung eines Marktes für Effizienzprodukte, sei es durch Effizienzklassen oder Label. Tagungsdokumentation Fortschritte in der Energieeffizienz 25

12 5 Literaturhinweise /1/ W. Nürnberg: Die Asynchronmaschine Springer-Verlag, Berlin/Göttingen/Heidelberg, 1963 /2/ G. Gerber, R. Hanitsch: Elektrische Maschinen Verlag W. Kohlhammer, Berlin, Köln, Mainz, 1980 /3/ T.M. Rowan, T.A. Lipo: A quantitative analysis of induction motor performance improvements by SCR voltage control IEEE Trans. on Ind. Appl., Vol. IA-19, July/Aug. (1983), pp /4/ F.J. Nola: Power factor controller - an energy saver Proc. IEEE IAS Annu. Meeting, 1980, pp /5/ D.S. Kirschen, D.W. Novotny, W. Sulwanwisoot: Minimizing induction motor losses by excitation control in variable frequency drives IEEE Trans. Ind. Appl., Vol. IA-20, Sept./Oct., (1984), pp /6/ B. Adkins, R.G. Harley: The general theory of alternating current machines Chapman & Hall, London, 1978 /7/ I.R. Harris (Editor): Rare-Earth permanent magnets North-Holland, 1989 /8/ H. Förster, R. Hanitsch: Magnetische Werkstoffe Verlag TÜV Rheinland, 1990 /9/ W. Nürnberg, R. Hanitsch: Die Prüfung elektrischer Maschinen Springer Verlag, Berlin, New York, London, Paris, Tokyo 2001 /10/ E.J. Wightman: Instrumentation in process control Butterworth, London, 1972 /11/ University of Coimbra (Portugal), De Almeida A. et al., 1996 Study for the Commission of the European Communities on actions to promote energy efficient electric motors in Europe Final Report October 1996 /12/ B.J. Chalmers (Editor): Electric Motor Handbook Butterworth, London, Tagungsdokumentation Fortschritte in der Energieeffizienz

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