11/02/2015
Door Leo de Ridder
Wereldwijd blijft energieverbruik groeien; van circa 15.000 miljard kWh in 2014 naar 21.650 miljard kWh in 2035, aldus de US Energy Information Adminstration. 40% hiervan komt voor rekening van elektromotoren; ongeveer 6000 miljard kWh. Gelukkig dringt wereldwijd het besef door dat met energiebesparing bij elektromotoren veel te halen valt. Deskundigen betogen dat het energieverbruik van motorsystemen met 20 tot 30% omlaag kan. Met ingang van 1 januari 2015 geldt de Europese Ecodesignrichtlijn: alleen IE3 motoren of IE2 motoren met frequentieomvormer mogen nu nog verkocht of geïnstalleerd worden.
Elektromotorsystemen zijn goed voor 70% van het elektriciteitsverbruik in de industrie. Motoren, pompen, ventilatoren en compressors zijn verantwoordelijk voor 40% van het mondiale energieverbruik. In deze systemen verbruikt de aandrijfketen 90% van de energie. Dit verbruik kan met 5 tot 50% worden verminderd als voor energiezuiniger motoren wordt gekozen. Hoewel duurder in aanschaf, blijkt de terugverdientijd van deze motoren ergens tussen een schappelijke 1 tot 5 jaar te liggen. In de internationale norm IEC 60034-30-1:2014 zijn de IE-klassen van elektromotoren gedefinieerd. IE staat voor International Efficiency en is gecombineerd met een nummer:
- IE1 (standaard)
- IE2 (hoog rendement)
- IE3 (premium rendement)
- IE4 (super-premium rendement).
Hoe groter het vermogen van de motor, hoe hoger het rendement en hoe kleiner de verschillen in rendement. De rendementsverschillen tussen IE1 en IE4 bedragen ruim 13% (bij 0,75 kW) en ruim 3% (bij 90 kW), en tussen IE2 en IE4 gemiddeld ruim 6% (bij 0,75 kW) en bijna 2% (bij 90 kW). De norm heeft betrekking op laagspanning 3-fasen motoren met een nominaal vermogen van 0,12 kW tot 1000 kW, die zijn ingedeeld op basis van de continu bedrijf met vaste snelheid. De classificatie geldt voor 2-, 4-, 6- en 8-polige motoren. De IE-klasse én het rendement van de motor moeten altijd op het typeplaatje van de motor worden vermeld.
Vanaf 2015 zijn de EU-eisen aan elektromotoren verder aangescherpt: zo moeten vanaf 1 januari jl. alle motoren met vermogens van 7,5 kW tot 375 kW minimaal voldoen aan IE3 of aan IE2 maar dan wel inclusief een frequentieomvormer. Vanaf 2017 wordt hier de categorie motoren met vermogens van 075 tot 5,5 kW aan toegevoegd en gaat het dus in zijn totaliteit over motoren van 0,75 tot 5,5 kW. In 2018 gaat de laatste fase in: kleine eenfase en driefasen motoren (120 – 750 W) moeten dan tenminste klasse IE2 hebben. De grotere laagspanningsmotoren (375 kW – 1000 kW en < 1000 V) moeten vanaf dat jaar tenminste klasse IE3 hebben. Dit geldt dan eveneens voor grote middenspanningsmotoren in hetzelfde vermogensbereik, alsmede voor permanentmagneetmotoren, synchroon reluctantiemotoren en voor Ex motoren en remmotoren.
Omslag in 2018
Dat de economische crisis één van de belangrijkste oorzaken is geweest voor de trage overgang naar efficiëntere motoren is geen verrassing. Minder bekend is dat, als gevolg van de vele uitzonderingen die binnen de verschillende MEPS (Minimal Efficiency Performance Standards) bestaan en het gebrek aan handhaving van deze standaards, de effectiviteit van de regelgeving is uitgehold. Daarbij speelt bovendien een rol de slechte aansluiting tussen degenen die deze motoren aanschaffen en degenen die verantwoordelijk zijn voor de operationele kosten ervan. In 2013 vormden dan ook de IE1 motoren nog steeds het grootste marktsegment in termen van zowel aantallen als omzetten. Met meer dan 31 miljoen wereldwijd verkochte IE1 motoren en een bijbehorende marktwaarde van $ 7 miljard, waren deze motoren goed voor 60% van de totale wereldwijde motorverkopen. Ook geen verbazing wekt het dat het grootste deel van de IE1-markt is geconcentreerd in Azië, Oost-Europa, het Midden-Oosten, Afrika en Rusland. Precies die landen waar niet of nauwelijks enige vorm van regelgeving bestaat voor laagspanningsmotoren. Zelfs China, dat onlangs nog officieel bekend maakte de overstap te willen maken naar IE2 motoren, blijft tot op heden grotendeels een IE1-markt. Ook Europa en de VS wassen hun handen in onschuld. Hier zijn ondanks alle regelgeving bepaalde productcategorieën gevrijwaard van de bestaande regelgeving, kunnen veel afnemers, inclusief OEM’s en eindgebruikers, de verleiding niet weerstaan toch weer een inefficiënte motor aan te schaffen, omdat die zo lekker goedkoop is. Dat goedkoop hier toch echt duurkoop is, is nog steeds niet doorgedrongen.
Langzaam maar zeker verschuift het aandeel van de wereldwijde motorenmarkt in de richting van IE2 en IE3 motoren. De IHS marktonderzoekers verwachten een verdubbeling in de omzet van IE3 motoren, tot meer dan $8 miljard in 2018. Dat betekent over drie jaar meer omzet in IE3 dan in IE1 motoren. Ook de IE2 motoren zullen in 2018 de $ 8 miljard passeren, waarmee de totale omzetten in dat jaar goed zullen zijn voor bijna tweederde van de totale markt. Deze ontwikkeling is voor een groot deel te danken aan de aangescherpte regels in zowel de VS als in Europa; eind 2013 is de ErP Directive (artikel 1 van de EU MEPS) namelijk geüpdatet.
Aandrijfketen
Bij het verhogen van de efficiency van een aandrijfketen gaat het uiteraard niet alleen om de motor. Ook de andere componenten in de keten kunnen aanzienlijk bijdragen aan hogere efficiency. Belgische onderzoekers vonden dat met name de componenten achter de motor goede kansen bieden voor een verdere energiebesparing. Tandwieloverbrengingen, riemoverbrengingen en de efficiency van de belasting bleken vaak een groter besparingspotentieel te bieden dan de motor zelf. Lang heeft het er op geleken dat het potentieel van zo’n systeembenadering door de opstellers van richtlijnen en regelgeving nauwelijks is opgemerkt. Zo bestaan er bijvoorbeeld nog geen MEPS (Minimum Energy Performance Standards) voor tandwiel- en riemoverbrengingen. En wat er doorgaans in catalogi aan cijfers hierover beschikbaar is, kan maar beter genegeerd worden, aangezien de betrouwbaarheid ervan minimaal is, aldus de Belgen, die bij de componenten van circulatiepompen, airco systemen en ventilatoren verschillen van 25% tussen de opgegeven waarden en de door hun gemeten waarden vonden. De Belgen zijn voorstander van de zogenaamde Extended Product Approach, een benadering die veel meer rekening houdt met de invloed van de componenten op de totale efficiency van een aandrijfsysteem. Daartoe moet meer en betere informatie beschikbaar komen over de efficiency van de afzonderlijke componenten, zoals overbrengingen. Een en ander vereist een grondige analyse van de componenten van de aandrijfketen zodat een juiste keuze kan worden gemaakt voor juist die component die het totale rendement van een aandrijfsysteem omhoog tilt. De Belgische onderzoekers onderzochten een snelheidsgeregelde, riem aangedreven industriële ventilator voor het koelen van voedsel pellets tijdens de productie. Zowel de motor, als de transmissie en de ventilator werden hierbij geanalyseerd. De motor was een 22 kW, vierpolige inductiemotor met een efficiencyklasse lager dan IE1. Metingen toonden een elektrisch ingaand vermogen van 11 kW, hetgeen duidelijk de overdimensionering van de motor aan gaf. Rekening houdend met het belastingprofiel werd het rendement van dit motoraandrijfsysteem geschat op 87,6%. De onderzoekers testten als alternatief een 11kW IE3 inductiemotor en een IE4 synchrone reluctantiemotor. Toepassing van de IE3 inductiemotor bleek tot een rendementsverhoging van 3,4% te leiden, terwijl met de synchroonmotor een rendementstoename van 9,25% werd gemeten. Dit laatste alternatief toont duidelijk het potentieel van de IE4-motoren op basis van een andere technologie dan de inductiemotor. De meeste van deze technologieën hebben het voordeel dat hun rendement ook bij deellasten hoger blijft, vergeleken met de inductiemotortechnologie. Ook het vervangen van een riemoverbrenging door een direct drive blijkt in de praktijk te resulteren in een rendementstoename van 2 tot 4%. Downsizen van de ventilator tenslotte tilde het rendement van 30% naar 55%.
Producenten lopen voorop met innovaties
Door de motorenindustrie wordt intussen het nodige gedaan aan de ontwikkeling van motoren die op IE4-niveau en hoger werken. De meeste grote fabrikanten brengen deze motoren al op de markt in de vorm van inductiemotoren, permanentmagneetmotoren en synchroon reluctantiemotoren. ABB kondigde onlangs een reeks motoren aan met ferrietmagneten die zelfs op IE5-niveau werkt. NovaTorque brengt dergelijke motoren al op de markt. Hitachi heeft een IE5 11 kW motor ontwikkeld met ferrietmagneten en amorf-metalen lamellen. Dergelijke super-efficiënte motoren worden nog maar weinig toegepast en dan voornamelijk in speciale segmenten van de industrie. Maar de trend naar deze steeds efficiëntere motoren zal waarschijnlijk doorzetten de komende jaren en zal leiden tot IE6, 7 en 8 motoren. Redenen hiervoor zijn:
- Het gebruik van amorfe en nano-kristallijne lamellenmaterialen zal toenemen in commerciële motoren.
- Verder worden dergelijke efficiënte motoren steeds goedkoper, waardoor ze aantrekkelijker worden voor grotere markten
- Technici weten steeds weer nieuwe verbeteringen aan te brengen in het thermisch ontwerp van motoren, hetgeen zal leiden tot een verdere verhoging van efficiency en levensduur.
- Betere permanentmagneetmaterialen en stabielere prijzen voor magneten zullen de rol van hoog efficiënte motoren verder versterken in de industrie.
Nederlandse initiatieven
Sinds 16 juni 2011 is een Europese richtlijn (2005/32/EG) van kracht die strengere eisen stelt aan de minimale efficiency van elektromotoren. Om (industriële) bedrijven in Nederland beter bekend te maken met de mogelijkheden van energiezuinige elektrische aandrijfsystemen, is het kennisnetwerk Efficiënte Elektrische Aandrijfsystemen (KEEA) opgericht. Dit maakt praktische kennis toegankelijk en beschikbare technieken bekend bij eindgebruikers. Het kennisnetwerk bestaat onder andere uit vertegenwoordigers van FEDA en UNETO-VNI.
Voorts hebben leveranciers van elektromotorsystemen en installatie- en onderhoudsbedrijven twee jaar geleden het initiatief genomen voor de Green Deal Efficiënte Elektrische Aandrijfsystemen. De initiatiefnemers willen gezamenlijk een stap zetten door in de keten van fabrikanten, installateurs, (industriële) verbruikers en dienstverleners samen de toepassing van ‘efficiënte elektrische aandrijfsystemen’ in de industrie te bevorderen. Dit doen zij door samen projecten te initiëren en kennis op te bouwen en te delen. Nederlandse leveranciers en apparatenbouwers wordt met deze Green Deal de mogelijkheid geboden zich (internationaal) te onderscheiden . Industriële bedrijven kunnen met toepassing van elektrische aandrijfsystemen profiteren van kostenbesparingen en de mogelijkheid om de vrijkomende financiële middelen op andere wijze in te zetten. De directe besparingen via deze Green Deal kunnen ruim 1,5 PJ opleveren, met een aanvullend besparingspotentieel bij de overige 750 industriële bedrijven van (indicatief) meer dan 35 PJ.
Lees het hele verhaal in Aandrijven & Besturen of op Engineers Online
Overige links:
http://keea.nl
http://greendealaandrijfsystemen.nl/green-deal