Über­dimen­sio­nierte elektrische Antriebe

Das Phänomen der Überdimen­sio­nierung ist aus früheren Untersuchungen bei industriellen Anlagen in der Schweiz bekannt. Die Evidenz aus einer Befragung von Fachleuten aus der internationalen Antriebstechnik zwischen August 2023 und Januar 2024 ist eindeutig: Die Antworten von 39 Experten der ISO & IEC JAG 22 aus 11 Ländern bestätigen, dass elektrische Antriebs­systeme für Pumpen, Ventilatoren, Kompressoren etc. in der Regel über­dimen­sio­niert sind, d.h. die einzelnen Komponenten sind schlecht aufeinander abgestimmt und die Anpassung an den tatsächlichen Leistungsbedarf ist ungenügend.

Elektrische Antriebs­systeme werden in der internationalen Normung in insgesamt neun verschiedenen Technischen Komitees behandelt (Tabelle 1), die jeweils für sich an ihrem Thema arbeiten. Erst seit Oktober 2022 gibt es die IEC & ISO Joint Advisory Group JAG 22, die sich intensiv mit der Koordination von mechanischen (ISO-Normen) und elektrischen Systemen (IEC-Normen) und deren möglichen Problemen und Entwicklungschancen befasst.

Die Nachteile der Überdimen­sio­nierung

Ein Antriebs­system besteht mindestens aus einem Elektromotor und einer Anwen­dung (Pumpe, Ventilator, Kompressor usw.). Oft werden zudem Getriebe oder Transmissionen mit Riemen zwischen Motor und Anwen­dung zur Anpassung der Drehzahl eingesetzt. Zunehmend werden für die Strom­ver­sorgung des Motors elektro­nische Frequenz­umrichter eingesetzt, mit denen die Drehzahl stufenlos geregelt werden kann. Dadurch kann die Leistung des Elektro­motors näher an den effektiven Bedarf (Drehzahl, Drehmoment, Leistung) gebracht und damit Strom gespart werden.

Eine über­dimen­sio­nierte Maschine ist grösser, schwerer und sowohl in der Anschaffung als auch im Betrieb teurer als ein optimal dimensio­niertes Antriebs­system. Die Komponenten laufen dann oft oder ständig im Teillast­bereich und haben dadurch einen schlechteren Wirkungsgrad (Bild 1).

Eine Überdimen­sio­nierung bringt keine direkten Vorteile: Die nicht ausgelastete Maschine hat keine längere Lebensdauer und keinen wesentlich geringeren Wartungs- und Unterhaltsbedarf. Sie läuft zwar etwas kühler und verbraucht dadurch eventuell etwas weniger Schmiermittel, was sich aber nicht wesentlich auf die Betriebskosten und die störungsfreie Nutzungsdauer auswirkt. Bei stark über­dimen­sio­nierten Anlagen kann es im Teillastbetrieb mit reduzierter Drehzahl zu Betriebsproblemen kommen, da die Kühlleistung des Antriebs durch den auf der Achse montierten Ventilator nicht immer gewährleistet ist.

Eine Überdimen­sio­nierung bei einer Neuanlage hat nur den Vorteil, dass eine zum Zeitpunkt der Projektierung noch unbekannte Leistung später bewältigt werden kann. Der Preis für die oft jahrelang nicht genutzte Investition ist jedoch selten gerechtfertigt.

Zwei Arten der Überdimen­sio­nierung

Eine Überdimen­sio­nierung kann durch zwei Planungsmängel verursacht werden:

• Die Bestimmung der maximal nötigen mechanischen Ausgangsleistung der Anwen­dung im Betrieb (z. B. bei einem Ventilator: der gewählte Luft­volu­men­strom und die angenom­mene Druckdifferenz für das Kanalsystem) ist ungenau oder falsch.
• Die Abstimmung der Kompo­nenten des Antriebs­systems unter­einander auf die maximal erforderliche Leistung ist ungenügend.

Bei der Überprüfung und Verbesserung bestehender Anlagen kann die Ermitt­lung der maximal erforder­lichen Leistung der Anwen­dung und der übrigen Kompo­nenten durch Messung am elektrischen Eingang und bei grösseren Anlagen durch mechanische Messung während weniger Stunden am Ausgang genügend genau erfolgen. Bei neu geplanten Anlagen müssen diese Bestimmungsgrössen dagegen durch Berechnung oder Simulation des Tages- und Wochenverlaufs des Gesamtsystems ermittelt werden. Dazu stehen diverse elektronische Tools zur Verfügung, die aber immer auf den Angaben (Betriebspunktschätzungen) des Anlagenbetreibers basieren. Für die Bestimmung des maximalen Leistungsbedarfs gibt es Angaben in einzelnen Normen. Diese setzen voraus, dass der maximale Leistungsbedarf (Volumenstrom und Druckdifferenz) bekannt bzw. gut abschätzbar ist. Dies ist in vielen Anlagen nicht der Fall, da beispielsweise das Verteilsystem für die Luftkanäle oder Wasserleitungen noch nicht genügend genau bestimmt ist. Oft werden sekundäre Druckwiderstände (Filter, Wärmetauscher, Klappen etc.) ungenau oder falsch berechnet. In vielen Anwen­dungsfällen wird bei Lüftungsanlagen einfach ein schematischer «sicherer» Standardwert für die Druckdifferenz angenommen, der später nie erreicht wird.

Ausmass und Folgen

Das Ausmass der Überdimen­sio­nierung kann durch Reihenuntersuchungen und Messungen nur abgeschätzt werden. Als Mass für die Dimen­sio­nierung wird der Lastfaktor verwendet, d. h. das Verhältnis der tatsächlich gemessenen elektrischen Eingangsleistung des Motors zur elektrischen Nennleistung, also der mechanischen Ausgangsleistung des Motors gemäss Typenschild dividiert durch den nominalen Wirkungsgrad (Tabelle 2). Bei der Reduzierung der Motorgrösse sind der leicht verminderte Nennwirkungsgrad und der etwas bessere Teillastwirkungsgrad zu berücksichtigen.

Mit unserer nicht repräsentativen Schweizer Stichprobe aus dem Jahr 2013 mit 104 gemessenen Industrie­anlagen zwischen 1 kW und 1000 kW konnte festgestellt werden, dass die mittlere Auslastung der untersuchten Antriebs­systeme nur 52% betrug und 68% der gemessenen Anlagen unter einem Lastfaktor von 60% liefen. Rund ein Viertel der Anlagen lief mit einem mittleren Lastfaktor zwischen 70% und 100% und ist somit gut dimensioniert.

Eine erste grobe Abschätzung der Grössen­ordnung des durch die Überdimen­sio­nierung von Antriebs­systemen unnötig investierten Kapitals und der damit verschwen­deten elektrischen Energie wurde in den USA 2019 veröffentlicht [1]; siehe auch [2]. Die Untersuchung an 342 Pumpen ergab eine mittlere Überdimen­sio­nierung von 22% über den ganzen Leistungsbereich, wobei kleinere Pumpen tendenziell stärker über­dimen­sio­niert sind.

Bezogen auf den Gesamtstromverbrauch der Schweiz im Jahr 2023 von 56 TWh/a, bei dem rund 29 TWh/a auf elektrische Antriebs­systeme fallen, wird der Mehrverbrauch durch Überdimen­sio­nierung auf 9% (2,6 TWh/a), geschätzt. Dadurch entstehen jährlich unnötige Stromkosten von rund 400 Mio. CHF. Die über­dimen­sio­nierten Anlagen führen zudem zu unnötigen Mehr­inves­titionen im Bestand der Antriebs­anlagen von rund 20%, also 400 Mio. CHF.

Es gibt viele Gründe

Die Begründungen für über­dimen­sio­nierte Anlagen sind vielfältig und oft nachvollziehbar, aber nur teilweise gerechtfertigt (folgende Auflistung von Antworten aus der erwähnten inter­nationalen Experten­umfrage und eigenen Erfahrungen):

• Ein Antriebs­system wird für die bei der Planung bekannten Anwen­dungen und Prozesse gebaut, soll aber später auch für andere, noch unbekannte Anwen­dungen mit höheren Lasten und längeren Betriebszeiten genutzt werden können.
• Die Planungskosten für eine ingenieur­mässige Auslegung und Dimen­sio­nierung werden eingespart, d.h. eine Anlage wird nur basierend auf groben Schätzungen bestellt.
• Die nur ungenau bekannte maximal benötigte Ausgangs­leistung wird aus Angst vor einer möglichen Überlastung mit einem grosszügigen Sicherheitszuschlag für alle Komponenten erhöht. Werden Motor, FU und Anwen­dung jeweils um eine Grösse zu gross gewählt, ist das Gesamtsystem um rund die Hälfte über­dimen­sio­niert.
• Am Schluss wird der Motor dimensioniert, wobei für jede vorgelagerte Komponente ein Sicherheits­zuschlag berücksichtigt wird.
• Die an der Planung und Ausführung der Anlage beteiligten Planer und Lieferanten empfehlen dem Kunden aus kommerziellem Interesse eine grössere und teurere Anlage.
• Der planende Ingenieur ist nicht unabhängig vom Lieferanten.
• Das Ingenieur­honorar ist ein Prozentsatz der Anlagekosten.
• Der Startprozess der Anlage wird nicht geklärt und ein überhöhtes Start­dreh­moment angenommen.
• Motoren haben grosse, starr definierte Grössenunterscheide von 15–20%, die keine Zwischen­dimensionen erlauben.
• Bei Mehrfachanlagen bleibt die Gleichzeitigkeit unberücksichtigt.
• Oft werden Ersatzmotoren für verschiedene Anwen­dungen an Lager gehalten.
• Die vermeintlich höhere Zuver­lässig­keit einer Anlage wird höher gewichtet als ihre Energie­effizienz und Kosten­günstigkeit.
• Eine konstante Leistung von 70% bis 100% wird als starke Belastung des Systems empfunden, die Störungen und einen höheren Wartungs­aufwand bedingt.
• Eine schwankende Versor­gungs­spannung wird zum Anlass genommen, höhere installierte Motoren­leistungen zu planen.
• Der Einsatz eines Frequenz­umrichters zur Lastregelung wird als Vorwand genommen, um auf eine genauere Dimen­sio­nierung verzichten zu können.
• Die einzelnen Komponenten des Systems (FU, Motor, Getriebe, Anwen­dung) sind nicht richtig aufeinander abgestimmt.

Für die Dimen­sio­nierung der Komponenten eines Antriebs­systems gibt es derzeit keine verbindlichen nationalen Richtlinien oder internationalen Normen. Es wird nach «Erfahrungswerten» vorgegangen, was zu über­dimen­sio­nierten Antriebs­systemen führt.

Integrierte Antriebs­systeme

Viele kleine, in Grossserien hergestellte Pumpen, Ventilatoren und Kom­pres­soren bis etwa 5 kW werden heute von einem Hersteller hergestellt bzw. ihre mass­geschnei­derten Komponenten assembliert. Dabei entfallen in der Regel durch die Integration von FU, Motor, evtl. Getriebe und Anwen­dung die Über­dimen­sionie­rungs­probleme einzelner Komponenten, da die Hersteller gerne leichte, kompakte und kostengünstige Systeme anbieten. Das Problem der richtigen Anpassung an den tatsächlichen maximalen Leistungsbedarf bleibt bestehen. Viele Umwälzpumpen in Heizungen, viele Abluft­ventilatoren und viele Kälte­kompres­soren in Kühlgeräten sind über­dimen­sio­niert. Die Erfahrungen aus den EU-Ecodesign-Richtlinien z. B. bei Staubsaugern, sind hierfür ein anschauliches Beispiel.

Überdimen­sio­nierung künftig vermeiden

Bis IEC- und ISO-Normen, wie in der JAG 22 diskutiert, die Dimen­sio­nierung der elektrischen Antriebs­systeme und deren Komponenten durch Checklisten oder Empfehlungen regeln, sind wir auf verbesserte «Milch­mädchen­rech­nungen» und einfache Ingenieur-Daumen­regeln angewiesen. Der wichtigste Punkt ist dabei die möglichst präzise Bestim­mung der maximal erforderlichen Ausgangs­leistung und der dafür benötigten mechanischen Leistung an der Welle der Anwen­dung (Pumpe, Ventilator, Kompressor etc.). Während bei bestehenden Antriebs­systemen dieser Maximal­punkt leicht und genau durch Messungen ermittelt werden kann, müssen bei neuen Anlagen vorher etwa 20 Planungs­schritte und entsprechende Berech­nungen und Entschei­dungen durchlaufen werden.

Fortschrittliche Berechnungsprogramme wie das unabhängige Motor-Systems-Tool [3] können die systematische Auswahl der Komponenten und die Optimierung des Antriebs­systems erleichtern und inter­nationale Normen und Mindest­anforde­rungen direkt berück­sichtigen. Hersteller­abhängige Opti­mierungs­programme sind selten auf das Gesamtsystem ausgerichtet und bevorzugen a priori nur Produkte aus dem Katalog eines Herstellers.

Fazit

Schon lange ist bekannt, dass elektrische Antriebs­systeme weltweit – auch in der Schweiz – für rund die Hälfte des Stromverbrauchs verantwortlich sind [4]. Die Entwicklung von effizienteren Motoren und den von ihnen angetriebenen Anwen­dungen wie Ventilatoren und Pumpen, sowie von Frequenz­umrichtern für ihre bessere Regelung ist dank den EU-Mindest­anforde­rungen seit einem Jahrzehnt in vollem Gange. Die Vorteile effizienter Antriebs­systeme sind jedoch noch wenig bekannt, auch weil das IEC- und ISO-Normensystem noch wenig dazu beigetragen hat.

Mit der Gründung der Joint Advisory Group JAG 22 in IEC und ISO wurde 2022 der Startschuss für eine bessere Integration der mecha­nischen und elektri­schen Kompo­nenten zu last­abhängig geregelten Systemen gegeben.

Das Thema der korrekten Dimen­sio­nierung wurde aber bisher vernachlässigt und weder unter Kosten- noch unter Energie­effizienz­gesichts­punkten berück­sichtigt, obwohl über­dimen­sio­nierte Systeme weltweit verbreitet sind. Um die Überdimen­sio­nierung bei neuen Systemen zu reduzieren, sind noch erhebliche Ände­rungen der Gewohn­heiten von Ingenieuren und Herstellern nötig. Das inter­nationale Programm 4E EMSA [5] liefert hierfür wichtige Grundlagen.

Referenzen

[1] NEEA: Extended Motor Products Savings Validation Research on Clean Water Pumps and Circulators, Report #E19-307, Portland Oregon, USA, 2019.

[2] Conrad U. Brunner, Maarten van Werkhoven, ISO and IEC work together to improve Energy Efficient Electric Motor Driven Systems, (IEC & ISO JAG 22), EEMODS 2023, Lucerne, Switzerland.

[3] EMSA Motor-Systems-Tool, Danish Institute of Technology.

[4]  Paul Waide, Conrad U. Brunner et al.: Energy-Efficiency Policy Opportunities for Electric Motor-Driven Systems, IEA, France 2011.

[5]  IEA 4E, Technical Cooperation Programme, Electric Motor Systems Platform.