Energiesparen beim Elektromotor: Wo in der Verlustkette beginnen?

Ein Abluftventilator mit 37 kW läuft 6000 Stunden im Jahr, die Drosselklappe am Austritt ist halb geschlossen. In der Besprechung zum Instandhaltungsbudget geht es jedoch um die Umstellung des Elektromotors von IE3 auf IE4. Rechnet man nach, wird es interessant: Der Klassenwechsel bringt einige tausend kWh pro Jahr. Öffnet man dagegen die Klappe und senkt die Ventilatordrehzahl bedarfsgerecht ab, lässt sich mit demselben Elektromotor mehr als das Zehnfache erzielen. Die meisten Betriebe, die Energie sparen wollen, beginnen beim Elektromotor – dabei entsteht der Großteil der Verluste vor und hinter ihm.

Energie sollte deshalb als Kette betrachtet werden: die Einspeisung aus dem Netz, der Elektromotor selbst, die Übertragungselemente, die angetriebene Maschine und am Ende die Arbeit, die von der Maschine verlangt wird. Jedes Glied hat unterschiedlich große Verluste, und auch die Kosten der Korrektur sind verschieden. Im Folgenden behandeln wir die Glieder, beginnend dort, wo der größte Gewinn meist zu finden ist.

Zuerst messen: Welcher Elektromotor verbraucht wie viel?

Zu wissen, wie viele Antriebe im Werk laufen, ist etwas anderes, als zu wissen, welche die Stromrechnung verursachen. Für den Anfang genügt eine einfache Liste: Motorleistung, jährliche Betriebsstunden und der mit der Stromzange gemessene Betriebsstrom. Der Vergleich zwischen Bemessungsstrom auf dem Typenschild und gemessenem Strom zeigt die ungefähre Auslastung. Das Produkt dieser drei Angaben ergibt grob eine Prioritätskennzahl: Eine Feuerlöschpumpe mit 45 kW und 300 Betriebsstunden im Jahr rutscht ans Ende der Liste, ein Kühlturmlüfter mit 11 kW im Dreischichtbetrieb dagegen nach oben.

Entscheidungen ohne Messung richten sich meist auf den sichtbaren Antrieb: den größten, lautesten oder ältesten. Liegt die Liste vor, zeigt sich, dass wenige dauerhaft laufende Pumpen, Ventilatoren und Kompressoren den Großteil des Verbrauchs ausmachen. Wie hoch die tatsächliche Auslastung eines Elektromotors ist, erfahren Sie im Beitrag zu Auslastung und richtiger Dimensionierung.

Der größte Verlust liegt in der Arbeit selbst: Drosselung, Leerlauf, Überdruck

Wird der Volumenstrom einer Pumpe über ein gedrosseltes Ventil oder der eines Ventilators über eine geschlossene Klappe geregelt, dreht der Elektromotor weiter mit voller Drehzahl, und der überschüssige Druck wird im Ventil in Wärme umgewandelt. Bei Kreiselpumpen und Ventilatoren ändert sich die Leistung etwa mit der dritten Potenz der Drehzahl. Eine Absenkung auf 80 % der Drehzahl halbiert unter idealen Bedingungen ungefähr die benötigte Leistung (0,8³ ≈ 0,51). Bei hohem statischem Druck im System fällt das Verhältnis weniger günstig aus, doch in den meisten Lüftungs- und Umwälzanwendungen bleibt der Gewinn groß.

Zurück zum Ventilator vom Anfang. Angenommen, er wird das halbe Jahr, also 3000 Stunden, per Klappe gedrosselt, obwohl 80 % des Volumenstroms genügen. Der Ventilator nimmt an der Welle rund 29,6 kW auf; wird die Drehzahl mit einem Frequenzumrichter auf 80 % abgesenkt, benötigt er rechnerisch 3000 × 29,6 × 0,49 ≈ 43.500 kWh weniger Energie. Umrichterverluste und Anlagenkennlinie drücken diese Zahl nach unten, dennoch liegt sie weit über dem, was ein Wechsel der Effizienzklasse erwarten lässt. Die Berechnung im Detail finden Sie im Beitrag zu Frequenzumrichter und Affinitätsgesetzen.

Unter derselben Überschrift werden zwei weitere Fälle oft übersehen:

• Leerlaufende Antriebe. Ein Förderband, das in der Pause leer weiterläuft, ein Rührwerk, das beim Warten auf Produkt in Betrieb bleibt, oder ein Kompressor, der ohne Luftbedarf im Leerlauf arbeitet, nehmen weiterhin Leistung für Magnetisierung und Reibung auf. Eine Abschaltung per Zeitschaltung oder Füllstandssignal ist oft eine Korrektur ohne Investition.
• Zu hohe Sollwerte. Einige bar zu viel Druck im Druckluftnetz oder ein unnötig niedrig angesetzter Temperatursollwert beim Kühlwasser bedeuten, dass der Elektromotor länger und stärker belastet läuft.

Wichtig ist die Unterscheidung, bei welcher Last ein Umrichter etwas bringt: Bei Lasten mit konstantem Drehmoment wie Förderbändern sinkt die Leistung nur proportional zur Drehzahl, die Kubikregel gilt hier nicht.

Leistungsverluste zwischen Elektromotor und Maschine

Übertragungselemente sind stille Verlustquellen. Ein lockerer Keilriemen rutscht und erwärmt sich, ein zu stark gespannter belastet die Lager. Eine schlecht ausgerichtete Kupplung verursacht zusätzliche Reibung und vorzeitigen Lagerverschleiß. Bei Schneckengetrieben sinkt der Wirkungsgrad mit steigender Übersetzung deutlich; der Unterschied zwischen einem Schneckengetriebe mit hoher Übersetzung und einem Stirnradgetriebe kann bei einem Dauerantrieb größer sein als der Unterschied zwischen Effizienzklassen. Bei der Getriebeauswahl sollte daher neben der Übersetzung auch der Wirkungsgrad in der Modelltabelle geprüft werden.

Bei Riementrieben bietet sich eine weitere Möglichkeit: die Drehzahleinstellung über die Riemenscheibe. Dreht der Ventilator schneller als nötig und bleibt der Volumenstrom stets gleich, kann eine Korrektur des Scheibenverhältnisses günstiger sein als ein Umrichter. Die Berechnung erläutern wir mit Beispielen im Beitrag zur Drehzahlanpassung über Riemenscheibe und Riemen.

Die Verluste des Elektromotors: Klasse, Auslastung und Wicklungshistorie

Beim Elektromotor stellen sich drei Fragen. Die erste betrifft die Effizienzklasse. Nach IEC 60034-30-1 liegt die Mindesteffizienz eines 4-poligen Elektromotors mit 37 kW bei IE3 bei 93,9 %, bei IE4 bei 95,2 % und bei IE5 bei 96,1 %. Beim Ventilator vom Anfang gibt der Elektromotor rund 29,6 kW an der Welle ab; IE4 statt IE3 senkt die aus dem Netz bezogene Leistung bei grober Rechnung mit dem Volllastwirkungsgrad um etwa 0,43 kW, in 6000 Stunden sind das rund 2600 kWh. Für einen Dauerläufer ist das ein nennenswerter Gewinn, neben dem Potenzial auf der Prozessseite aber gering. Wann sich die Investition amortisiert, haben wir im Beitrag zur Entscheidung zwischen IE3 und IE4 nach Betriebsstunden berechnet.

Die zweite Frage betrifft die Auslastung. Der Wirkungsgrad von Asynchronmotoren verläuft oberhalb von etwa halber Last recht flach, bei sehr geringer Last sinkt er deutlich, und auch der Leistungsfaktor verschlechtert sich. Einen großen Elektromotor, der mit 30 % Last läuft, zu verkleinern, verbessert Wirkungsgrad und cos φ; einen Elektromotor mit 70 % Last verkleinern zu wollen, bringt dagegen oft mehr Risiko als Gewinn.

Die dritte Frage betrifft die Vorgeschichte. Ein mehrfach neu gewickelter Elektromotor, dessen Blechpaket beim Wickeln überhitzt wurde, kann höhere Verluste aufweisen. Um bei einem Ausfall auch die Energieseite in die Entscheidung einzubeziehen, hilft der Beitrag „Neu wickeln oder neuer Elektromotor?“.

Versorgungsqualität und Blindleistung

Der Wirkungsgrad auf dem Typenschild gilt für eine symmetrische Speisung mit Bemessungsspannung. Eine geringe Spannungsunsymmetrie zwischen den Phasen erzeugt eine um ein Mehrfaches größere Stromunsymmetrie und zusätzliche Wärme in der Wicklung. Auch eine Spannung deutlich unter dem Bemessungswert erhöht den Strom. Lose Verbindungen im Schaltschrank und erwärmte Schützkontakte wirken lokal ebenso; eine jährliche Schaltschrankprüfung mit der Wärmebildkamera deckt sie auf.

Die Blindleistungskompensation wird häufig als Sparmaßnahme angeboten, doch hier ist eine saubere Unterscheidung nötig. Die Kompensation verringert Blindstromkosten und den Strom in den Leitungen; die Wirkenergie, die der Elektromotor für die Arbeit an der Welle aufnimmt, ändert sie nicht. Der Blindanteil auf der Rechnung sinkt, der kWh-Verbrauch des Elektromotors bleibt gleich.

Erfolge dauerhaft sichern

Ein Teil der Korrekturen geht mit der Zeit wieder verloren: Das Ventil wird erneut gedrosselt, die Zeitschaltung deaktiviert, die Riemenspannung nicht mehr kontrolliert. Wer den Strom der Antriebe auf der Prioritätenliste vierteljährlich an derselben Stelle misst und dokumentiert, erkennt Veränderungen frühzeitig. Auch für den Ersatz im Störungsfall braucht es eine Regel: Statt bei einer Daueranwendung einzubauen, was gerade im Lager liegt, sollte der Reserveantrieb vorab nach Effizienzklasse und Leistung festgelegt werden – das senkt den Verbrauch der Folgejahre von Anfang an.

Fazit

Bei der Energiebilanz kommt es auf die Reihenfolge an. Zuerst wird gemessen, welche Antriebe die Stromrechnung verursachen; dann wird hinterfragt, ob die von der Maschine verlangte Arbeit tatsächlich nötig ist; anschließend werden Übertragungselemente und Versorgung geprüft. Die Effizienzklasse des Elektromotors ist das letzte, aber dauerhafte Glied dieser Kette. Wenn Sie für dauerhaft laufende Pumpen, Ventilatoren und Kompressoren den Umstieg auf eine höhere Effizienzklasse erwägen, finden Sie die Optionen auf der Seite IE4-Hocheffizienz-Elektromotoren und können Ihre Anwendung mit unserem technischen Team gemeinsam bewerten.

Häufig gestellte Fragen

Mit welchem Elektromotor sollte ich bei Sparmaßnahmen beginnen?

Beginnen Sie mit den Antrieben, bei denen Leistung, jährliche Betriebsstunden und gemessene Auslastung am höchsten sind. In der Regel stehen dauerhaft laufende Pumpen, Ventilatoren und Kompressoren oben auf der Liste; große, selten laufende Elektromotoren bringen weniger als erwartet.

Spart ein Frequenzumrichter an jedem Elektromotor Energie?

Nein. Ein Umrichter lohnt sich bei Anwendungen, deren Volumenstrom oder Drehzahl sich tatsächlich ändert, insbesondere bei Kreiselpumpen und Ventilatoren. Bei einem Elektromotor, der ständig mit voller Drehzahl laufen muss, kommen die Umrichterverluste hinzu, und der Verbrauch kann leicht steigen.

Senkt die Blindleistungskompensation den Verbrauch des Elektromotors?

Die Kompensation verringert Blindstromkosten und Leitungsstrom, ändert aber nicht den Wirkenergieverbrauch des Elektromotors. Auf der Rechnung sinkt der Blindanteil; die kWh für die Arbeit an der Welle bleiben gleich.

Ist es sinnvoll, einen laufenden IE3-Elektromotor durch IE4 zu ersetzen?

Einen störungsfrei laufenden Elektromotor nur wegen der Effizienzklasse zu tauschen, amortisiert sich lediglich bei sehr hohen Betriebsstunden schnell. In den meisten Betrieben ist es praktischer, den Hocheffizienz-Elektromotor beim Ausfall oder bei einer geplanten Erneuerung einzusetzen.