Den Planeten retten, ein Motor nach dem anderen
Elektrische Motoren sind seit mindestens dem späten 19. Jahrhundert weit verbreitet in Fertigungsanwendungen. Im Vergleich zu früheren Methoden boten sie zahlreiche Vorteile, darunter sofortiges Drehmoment, höhere Steuerbarkeit und geringeren Wartungsaufwand. Obwohl sich die Motortechnologie im Laufe der Jahre zweifellos verbessert hat, gibt es immer noch große Fortschritte, die gemacht werden müssen. Dieser Artikel von Analog Devices untersucht, wie die Effizienzsteigerung elektrischer Motoren dazu beitragen kann, die Emissionen zu reduzieren, die den Klimawandel verursachen.
Das Pariser Abkommen von 2015 legte einen Plan fest, um die globale Erwärmung bis 2050 auf 1,5°C zu begrenzen. Um das Ziel von 1,5°C im Jahr 2050 zu erreichen, ist eine ungefähr 70%ige Reduzierung der CO2-Emissionen gegenüber dem Niveau von 2018 erforderlich. Der aktuelle Verlauf der globalen Erwärmung birgt das Potenzial für bedeutende wirtschaftliche, gesellschaftliche und ökologische Störungen. Die Welt hat sich bereits um 1,1°C erwärmt, und Experten sagen voraus, dass sie in den 2030er Jahren wahrscheinlich die Marke von 1,5°C überschreiten wird.
Abbildung 1 zeigt einen Weg zum 1,5°C-Ziel, indem die CO2-Emissionen auf unter 10 Gt CO2 reduziert werden, wie im World Energy Outlook 2019 behandelt. In diesem Bericht betrachtet die Internationale Energieagentur (IEA) zwei Szenarien für den Verlauf der globalen Emissionen. Das erste ist das Szenario der angekündigten Politiken, das die Emissionen basierend auf öffentlich bekanntgegebenen Regierungsrichtlinien schätzt. Das zweite ist das Szenario der nachhaltigen Entwicklung, das zusätzliche Wege zur Minderung von Emissionen untersucht. Die größte Möglichkeit zur Reduzierung von CO2-Emissionen im Rahmen des Szenarios der nachhaltigen Entwicklung der IEA sind Verbesserungen der Energieeffizienz, die für 37 % der Emissionsreduzierungen im Vergleich zum Szenario der angekündigten Politiken verantwortlich sind. Da 25 % der CO2-Emissionen im Jahr 2022 [2] aus der Industrie stammen, wird die Beschleunigung von Investitionen in die Energieeffizienz der Industrie ein wichtiger Teil des Weges zu Netto-Null-Emissionen bis 2050 sein.
Abbildung 1: Weg zur Reduzierung der CO2-Emissionen
Warum Industriemotoren wichtig sind
Die weltweite Stromversorgung betrug im Jahr 2022 28.642 Terawattstunden und verursachte 13,2 Gigatonnen Kohlenstoffemissionen. Die Industrie verbraucht schätzungsweise 30 % des weltweiten Stroms, und innerhalb der Industrie entfallen etwa 70 % des Stromverbrauchs auf elektrische Motoren. Offensichtlich trägt die Effizienz dieser Komponenten potenziell entscheidend zu den in Abbildung 1 identifizierten Einsparungen bei der Effizienz bei. Die einfachsten und ineffizientesten Bewegungslösungen basieren auf direkt am Wechselstromnetz angeschlossenen dreiphasigen Motoren, die mit Schaltgeräten eine An-/Ausschaltung und grundlegenden Schutz bieten. Diese Bewegungsantriebe laufen mit einer relativ festen Geschwindigkeit, unabhängig von Lastschwankungen. Anpassungen bei Ausgangsvariablen (wie z. B. der Flüssigkeitsströmung in Pumpen und Ventilatoren) werden mit mechanischen Steuerungen wie Drosseln, Klappen und Ventilen vorgenommen, während erhebliche Geschwindigkeitsänderungen durch Getriebe umgesetzt werden.
Abbildung 2: Die Rolle von Industriemotoren im globalen Energieverbrauch
Das Hinzufügen eines Gleichrichters, einer Gleichstromschiene und einer 3-Phasen-Wechselrichterstufe, wie in Abbildung 3(b) dargestellt, führt zu einem Wechselrichter mit variabler Frequenz und variabler Ausgangsspannung, die auf den Motor angewendet wird, um eine variable Drehzahlregelung zu ermöglichen. Dieser wechselrichtergesteuerte Motor reduziert den Energieverbrauch des Systems erheblich, indem er den Motor mit der optimalen Geschwindigkeit für die Last und Anwendung betreibt. Beispiele hierfür sind hocheffiziente Pumpen und Lüfter. Wenn ein Wechselrichter an den bestehenden Motor einer Pumpe, eines Lüfters oder eines Kompressors hinzugefügt wird, kann der Energieverbrauch je nach Motor und Anwendung potenziell um 25 % bis 60 % gesenkt werden. Für Hochleistungsanwendungen der Bewegungssteuerung ermöglicht ein VSD (Abbildung 3(c)) eine präzise Kontrolle von Drehmoment, Geschwindigkeit und Position.
Abbildung 3: (a) Netzangeschlossener Wechselstrommotor (b) Umrichtergespeister Motor (c) Antrieb mit variabler Drehzahl
Es wird geschätzt, dass nur etwa 1 von 6 aller eingesetzten Motoren in der Industrie invertergesteuert oder mit einem VSD verbunden ist. Durch die Umstellung von mehr eingesetzten Bewegungsanlagen von netzverbundenen Motoren auf invertergesteuerte Motoren oder VSDs kann der Energieverbrauch und die CO-Emissionen erheblich reduziert werden. Diese Reduzierungen des Energieverbrauchs würden eine nachhaltigere Produktion mit reduziertem CO2-Ausstoß ermöglichen. Schätzungen zufolge würde der globale Strombedarf um 10 % sinken und 2490 Mt CO2-Emissionen im Jahr 2030 vermieden werden, wenn alle eingesetzten motorbetriebenen Systeme mit maximaler Effizienz betrieben werden.
Motorwirkungsgradstandards
Um die Einführung von hocheffizienten motorbetriebenen Systemen zu beschleunigen, hat die Internationale Elektrotechnische Kommission (IEC) zur Definition von Standards für energieeffiziente Elektromotoren beigetragen. Dazu gehört die Prüfnorm IEC 60034-2-1 für Elektromotoren und das Klassifizierungssystem IEC 60034-30-1 bestehend aus vier Effizienzklassen für Motoren (IE1 bis IE4), wobei die Effizienzklasse IE5 in Zukunft eingeführt werden soll. Die höheren Effizienzstandards können entweder durch ein effizienteres Motordesign oder durch die Ergänzung eines Wechselrichters (Inverter) bzw. einer Drehzahlregelung (VSD) zu einem Standardmotordesign erreicht werden. Da die Effizienzklassen immer anspruchsvoller werden, wird es zunehmend schwieriger und kostspieliger, diese allein durch eine Verbesserung des Motordesigns zu erreichen. In Verbindung mit den zusätzlichen Vorteilen, die eine Drehzahlregelung in Anwendungen bietet, wird das Argument für die Ergänzung eines VSDs bei den meisten Industriemotoren immer überzeugender.
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