Motoren für die Energiewende

Transkript

1 Motoren für die Energiewende Ein baldiger Fortschritt bei der Verfolgung der Ziele der Bundesregierung, die unter dem Stichwort Energiewende zusammengefasst werden, ist ein entscheidender Beitrag zur langfristigen Sicherung des Standortes Deutschland und darüber hinaus auch von zentralem Interesse Europas. Klimaschutz darf vor Landesgrenzen nicht haltmachen. Ende Mai 2012 hat deshalb Bundeskanzlerin Angela Merkel dieses Thema zur Chefsache erklärt. Es geht um nicht weniger als den vollständigen Ersatz der Kernenergie durch erneuerbare Energiequellen, den vor diesem Hintergrund notwendigen Ausbau der Versorgungsnetze und die Erhöhung der Energieeffizienz der angeschlossenen Verbraucher. Letzteres darf als vorrangiges Ziel gelten, da gesparte Energie weder erzeugt noch übertragen werden muss. Das Angebot energieeffizienter Produkte ist heute schon groß, die Geschwindigkeit ihrer Verbreitung lässt allerdings noch zu wünschen übrig. Vielfach wurde analysiert, dass erfolgreiches Energiemanagement an Daniel Gontermann beschäftigt sich im Konzernbereich Automation und Antriebe der KSB Aktiengesellschaft mit hocheffizienter Antriebstechnik. Im Bereich industrieller und gewerblicher Antriebstechnik schlummern noch große Energiesparpotenziale. Die 2011 erstmals wirksam gewordene EU-Motorverordnung schöpft diese nur teilweise aus. Innovative Technologie kann einen zusätzlichen Beitrag zur Energiewende und zum Klima schutz leisten, die für den Betreiber die Gesamtkosten über zwei Jahre nicht steigern muss. unzureichender Sensibilisierung für das Thema, mangelnder Transparenz in den Anlagen, knappen Instandhaltungsbudgets und teilweise fehlenden Anreizen scheitert. Dabei können sich Investitionen in Energiesparmaßnahmen in vielen Fällen binnen kurzer Zeit selbst tragen. Antriebstechnik mit Energiesparpotenzial Ein Hebel liegt im Bereich der industriellen und gewerblichen Antriebstechnik. 50 % der in den 27 EU- Ländern erzeugten elektrischen Energie wird von Elektromotoren aufgenommen [1]. Zu 90 % arbeiten diese Antriebe noch heute nach dem circa 120 Jahre alten Asynchronmotorprinzip [2]. Deren Erfolg und die dadurch hohe Marktdurchdringung gehen mit Daniel Gontermann dem Vorteil der Netzanlauffähigkeit dieser robusten Maschinen einher. Für den Anlauf sind keine zusätzlichen technischen Hilfsmittel erforderlich. Bei diesen Maschinen setzt nun die EU-weit gültige Motorverordnung EG640/2009 an, die auf Basis von international einheitlich definierten Wirkungsgradklassen IE1 bis IE3 Mindestanforderungen bei Nennbelastung stellt. Der Einsatz von Motoren der niedrigsten Effizienzklasse IE1 ist kraft Bild 1. Magnetfreier Synchron-Reluktanzmotor der Effizienzklasse IE4 zum Betrieb über einen Drehzahlregler dieser Richtlinie seit Mitte 2011 verboten. Das Einsparpotenzial ist mit 1 % bis 3 % Unterschied im Wirkungsgrad jedoch vergleichsweise gering. Die Verwendung von Drehzahlstellern bringt in vielen Anwendungen weitaus mehr, weil diese Einsparungen in den angetriebenen Arbeitsmaschinen, wie Pumpen, Lüftern und Kompressoren, bewirken. Schließlich wird die Energie vom Motor nicht verbraucht, sondern nur umgewandelt und über die Antriebswelle weitergegeben. Tatsächlich wächst der Anteil drehzahlgeregelt betriebener Motoren seit Jahren stetig an. Dass die EG640/2009, 2 Heft S3/2012

2 Heft S3/2012 3

3 Wirkungsgrad 100 % % 100 Belastung Bild 2. Wirkungsgradvergleich in Abhängigkeit der Belastung die ab Januar 2015 bzw die Effizienzklasse IE3 fordert, den Einsatz von IE2-Motoren in Verbindung mit Drehzahlregelung als Alternative zulässt, wird diesen Trend sicher beflügeln und so zu hohen Einsparungen beitragen können. Der Einsatz geregelter Antriebe löst das Problem vielfach überdimensionierter Motoren, bei denen der Nominalwirkungsgrad nicht zum Tragen kommt, gleich mit. Nach Schätzungen sind die Elektromotoren nur mit 60 % ihrer Nennleistung ausgelastet [3]. Bei derart niedriger Auslastung fallen die am Nennpunkt hohen Wirkungsgrade vielfach um 10 % bis 30 % ab. Synchronmotor als Alternative Aus diesem Grund gibt es schon heute noch mehr Sparpotenzial. Ausgerechnet in den Fällen, wo IE2- Motoren in guter Absicht mit Drehzahlreglern kombiniert werden, wäre mehr zu holen, weil die Netzanlauffähigkeit der Asynchronmotoren nicht mehr benötigt wird. Genau wegen dieser Netzanlauffähigkeit hat ein Asynchronmotor aber unnötige Verluste; den sogenannten Schlupf. Eine bessere Alternative stellen Synchronmotoren dar. Zwar laufen diese nicht ohne besondere Maßnahmen am Netz an, weisen aber dann, wenn die Motoren mit abgesenkter Drehzahl und bei Teillast laufen, höhere Wirkungsgrade auf. Die Unterschiede liegen hier nicht bei 1 % bis 3 %, sondern bei zehn bis 30 Prozentpunkten. KSB Supreme 7,5 kw Min 1* IE3 Asynchronmotor 7,5 kw Min 1 Funktionsweise des Synchron- Reluktanzmotors Während das Wirkprinzip von Asynchronmotor und Permanentmagnet- Synchronmotoren weithin bekannt ist, wird der Synchron-Reluktanzmotor häufig mit dem weniger effizienten und zumeist nicht ruckfrei laufenden Switched Reluctance-Motor verwechselt. Ein Synchron-Reluktanzmotor besteht aus einem Stator (Ständer) mit dem gleichen Aufbau wie der eines handelsüblichen vierpoligen Asynchronmotors mit verteilten Wicklungen. Der Rotor (Läufer) ist zur Vermeidung von Wirbelströmen ein Blechpaket aus Elektroblechen, die eine besondere Blechschnittgeometrie mit Flussleit- und Flusssperrabschnitten aufweisen. In der magnetischen Vorzugsrichtung des Blechpakets tritt ein geringer magnetischer Widerstand auf und der magnetische Fluss wird im Eisen gut geführt. Rechtwinkelig Die Erreichung einer im Entwurf vorliegenden Effizienzklasse IE4 gemäß E DIN EN (VDE ) [4] ist mit Synchronmotoren heute schon erreichbar. Durch den Wirkungsgradvorteil bei Teillast machen sich auch diese Motoren im geregelten Betrieb in kurzer Zeit bezahlt. Gerade die 2009 vorgestellten und seit März diesen Jahres erstmals von der KSB Aktiengesellschaft [5] in Serie produzierten Synchron-Reluktanzmotoren (Bild 1) sind trotz der Preissteigerungen bei Hochleistungsmagnetwerkstoffen eine wirtschaftliche Alternative zum geregelten Asynchronmotor. Die Besonderheit dieser Synchron- Reluktanzmotoren liegt darin, dass zur Erreichung der Effizienzklasse IE4 keine Magnete notwendig sind. Die vollständige Vermeidung dieser fast ausschließlich auf Basis Seltener Erden hergestellten Magnete (insbesondere Neodym-Eisen-Bor) macht diesen Motortyp deshalb auch in der Ressourceneffizienz überlegen. Denn der Einsatz der Seltenen Erden macht konventionelle Synchronmotoren nicht nur teuer, deren Gewinnung verursacht in den Ursprungsländern große Umweltbelastungen, da diese mit Säuren aus dem Erdreich gewaschen werden und zum Teil radioaktive Nebenprodukte anfallen. Seine durch ganzheitliche Bilanzierung beispielsweise über 15 Jahre Betriebszeit an einer Pumpe in einem Kühlkreislauf ermittelte Gesamtumweltwirkung in kg CO 2 -Äquivalent liegt dadurch bei einem 7,5-kW- Motor mit kg deutlich unter der eines IE3-Asynchronmotors ( kg) und eines IE4-Permanentmagnet-Motors mit kg, für den es zudem bis heute keinen Recyclingprozess gibt [6]. dazu behindert der mit Luft gefüllte Sperrschnitt den magnetischen Fluss. Von Vorteil für den Rundlauf ist ein Blechschnitt gemäß U.S.-Patent von A. Vagati, Turin, aus dem Jahr 1998 (Bild 3). Die in den Ständernuten verteilte Wicklung erzeugt bei Speisung mit einem Drehstrom ein im Luftspalt des Motors umlaufendes Drehfeld. Bei Speisung über einen Frequenzumrichter lässt sich die Drehzahl von Null bis zur Betriebsdrehzahl hochführen und während des Betriebs verstellen. Beim Einschalten des Umrichters synchronisiert sich der Läufer und fällt in Tritt ; er folgt synchron dem umlaufenden Drehfeld. Über eine geeignete Rotorlageregelung im Frequenzumrichter wird sichergestellt, dass bei Lastwechseln der Rotor nicht außer Tritt fällt. 4 Heft S3/2012

4 Heft S3/2012 5

5 betrieben werden. Der Effizienzvorteil wurde u. a. an der Fachhochschule Hannover [7] messtechnisch nachgewiesen (Bild 2) und hat sich bereits zahlreich in der Praxis bewährt. Bild 3. Schnitt durch den Rotor eines Synchron-Reluktanzmotors mit patentiertem Flusssperrenschnitt Betrieb ohne Sensoren Da zum Betrieb der Synchron-Reluktanzmotoren aufgrund des präzisen Regelalgorithmus im speisenden Drehzahlregler keine zusätzlichen Sensoren erforderlich sind, erreicht der Motor die gleiche Zuverlässigkeit wie ein Asynchronmotor. Die niedrigen Wärmeverluste im Rotor erhöhen sogar leicht die Lebensdauer der Lager. Durch die zum Asynchron-Normmotor kompatiblen Hauptabmessungen und Befestigungspunkte sind die neuen Synchron-Reluktanzmotoren von KSB ohne Mehraufwand überall dort wirtschaftlich einsetzbar, wo heute die eigentlich netzanlauffähigen Asynchronmotoren über Drehzahlregler Literatur [1] Eurostat, EU-27 Electricity End-use, 2007: epp.eurostat.ec.europa.eu [2] EUP Lot 11 Motors Final Report February 2008, Aníbal T. de Almeida, Coimbra, 18. Februar 2008, S. 19 [3] Motor Summit 2010, Zürich, Schweiz: Standards for Super-Premium Efficiency Class for Electric Motors, Anibal T. de Almeida, ISR-Dep. of Electrical Engineering University of Coimbra, Polo II, Coimbra, Portugal [4] E DIN EN (VDE ): Drehende elektrische Maschinen, Teil 30: Wirkungsgrad-Klassifizierung von Drehstrommotoren mit Käfigläufern, ausgenommen polumschaltbare Motoren (IE-Code). Berlin Offenbach: VDE VERLAG [5] KSB Aktiengesellschaft, Frankenthal: [6] PE International, Leinfelden-Echterdigen, KSB AG, Frankenthal, PLCA-Workshop auf Basis von Daten und Analysen des Europä ischen Kupferinstituts, [7] Messung von M. Wiele, Peter F. Brosch, Hochschule Hannover, Fakultät I Antriebe und Automatisierungstechnik: 6 Heft S3/2012