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Industriemotoren sind für über 60 % des industriellen Stromverbrauchs des Landes verantwortlich. Ihre Energieeffizienz beeinflusst direkt die Betriebskosten der Unternehmen und die Erreichung der nationalen Klimaziele. Derzeit verwenden die meisten Unternehmen noch immer ineffiziente Motoren, und einige ältere Motoren weisen sogar eine Energieeffizienz auf, die unter den nationalen Mindeststandards liegt. Dies führt nicht nur zu Energieverschwendung, sondern erhöht auch die Wartungskosten. Die Faktoren, die die Energieeffizienz von Motoren beeinflussen, sind vielfältig und umfassen neben Konstruktions- und Fertigungsaspekten der Motoren selbst auch die Auswahl, Steuerung sowie Betrieb und Wartung während des Nutzungsprozesses. Um die Energieeffizienz von Motoren zu verbessern, müssen Unternehmen systematische Lösungen entwickeln, die den gesamten Lebenszyklus berücksichtigen.
Die Energieeffizienz von Industriemotoren wird im Wesentlichen durch vier Faktoren beeinflusst. Erstens ist der Wirkungsgrad des Motors selbst gering, was den grundlegendsten Grund darstellt. Herkömmliche Motoren der JO2-Serie erreichen einen Wirkungsgrad von lediglich 75–85 %, während hocheffiziente Motoren der IE3-Norm über 90 % erzielen. Der Unterschied im Energieverbrauch zwischen den beiden liegt bei 5–10 %, was sich im Langzeitbetrieb erheblich bemerkbar macht. Motoren mit geringem Wirkungsgrad weisen hohe Eisenkern-, Kupfer- und mechanische Verluste auf. Beispielsweise erhöhen sich Hystereseverluste und Wirbelstromverluste deutlich, wenn für den Eisenkern gewöhnliche Siliziumstahlbleche anstelle von hochwertigen kaltgewalzten Siliziumstahlblechen verwendet werden. Zweitens ist die Motorenauswahl oft nicht auf die Last abgestimmt, was häufig dem Phänomen „zu viel Leistung für zu wenig Leistung“ entspricht. Viele Unternehmen wählen bewusst Motoren mit höherer Leistung, um eine Überlastung zu vermeiden. Dies führt dazu, dass die Motoren über lange Zeit im Teillastbereich (unter 50 % der Nennlast) betrieben werden. In diesem Fall sinkt der Wirkungsgrad des Motors rapide, und der Energieverbrauch steigt deutlich an. Beispielsweise beträgt die Nennleistung eines Wasserpumpenmotors in einer Chemieanlage 55 kW, die tatsächliche Last jedoch nur 20 kW. Der Wirkungsgrad liegt somit über 30 % unter dem Sollwert. Drittens ist die Steuerungsmethode veraltet und bietet keine effektive Drehzahlregelung. Förderanlagen wie Ventilatoren und Wasserpumpen machen über 40 % aller Industriemotoren aus. Traditionell wird der Durchfluss solcher Anlagen durch Ventile und Leitbleche gesteuert, wobei der Motor stets mit Nenndrehzahl läuft. Dies führt zu hohen Drosselverlusten und damit zu erheblichen Energieverlusten. Viertens beeinträchtigen unsachgemäße Bedienung und Wartung die Motorleistung. So erhöhen beispielsweise Ölmangel und Lagerverschleiß die mechanischen Verluste, Staubablagerungen an den Wicklungen führen zu schlechter Wärmeableitung und erhöhten Kupferverlusten, und die Alterung der Isolierung verursacht lokale Kurzschlüsse. All dies führt dazu, dass der tatsächliche Wirkungsgrad des Motors unter dem Sollwert liegt.
Der wichtigste Weg für Unternehmen zur Steigerung der Energieeffizienz ihrer Motoren besteht darin, ineffiziente Motoren auszutauschen und hocheffiziente sowie energiesparende Motoren auszuwählen. Beim Austausch sollte das Prinzip der „genauen Abstimmung“ befolgt werden, anstatt blindlings hohe Spezifikationen anzustreben. Zunächst ist eine umfassende Prüfung der vorhandenen Motoren durchzuführen, um deren Wirkungsgrad, Betriebslast und Energieverbrauch zu ermitteln. Vorrangig sollten ineffiziente Motoren ausgetauscht werden, die länger als 10 Jahre in Betrieb sind und eine Auslastung von über 60 % aufweisen. Für Anlagen im Dauerbetrieb sind hocheffiziente Asynchronmotoren oder Permanentmagnet-Synchronmotoren der IE3-Norm oder höher zu wählen. Für Anlagen mit variabler Last sind Permanentmagnet-Synchronmotoren vorzuziehen, da diese einen hohen Wirkungsgrad über einen weiten Lastbereich gewährleisten und 8–15 % mehr Energie einsparen als IE3-Motoren gleicher Leistung. Nachdem eine Textilfabrik 20 Motoren der Baureihe JO2 durch hocheffiziente Permanentmagnetmotoren der Baureihe IE4 ersetzt hatte, sparte jeder Motor jährlich 12.000 kWh Strom ein, und die Investition amortisierte sich bereits nach 14 Monaten. Beim Austauschprozess sollte darauf geachtet werden, dass die Einbaugröße der neuen Motoren mit der ursprünglichen Ausstattung übereinstimmt, um übermäßige Umrüstungskosten zu vermeiden, die die Wirtschaftlichkeit des Projekts gefährden könnten.
Zweitens sollte die Motorsteuerung optimiert und die Frequenzumrichter-Drehzahlregelung gefördert werden. Die Frequenzumrichter-Drehzahlregelung passt die Drehzahl durch Änderung der Netzfrequenz an, sodass die Motorleistung präzise dem Lastbedarf entspricht. Dies ist besonders geeignet für Geräte mit variabler Last wie Ventilatoren, Wasserpumpen und Kompressoren. Daten zeigen, dass die durchschnittliche Energieeinsparung solcher Geräte nach Einführung der Frequenzumrichter-Drehzahlregelung 20–40 % beträgt und in Szenarien mit starken Lastschwankungen sogar 50 % übersteigt. Beispielsweise wird nach der Umrüstung des Hochofenlüftermotors in einem Stahlwerk die Drehzahl an den Luftdruckbedarf des Hochofens angepasst, wodurch jährlich 8 Millionen kWh Strom eingespart werden. Für Hochleistungsmotoren (über 200 kW) kann ein kombiniertes Verfahren aus Frequenzumrichter und Sanftanlauf eingesetzt werden. Dieses Verfahren ermöglicht nicht nur die Drehzahlregelung und Energieeinsparung, sondern vermeidet auch Schäden am Stromnetz und am Motor durch Anlaufstromspitzen. Darüber hinaus kann bei Produktionslinien mit koordiniertem Betrieb mehrerer Motoren ein zentrales Steuerungssystem eingesetzt werden, um eine gleichmäßige Lastverteilung zwischen den Motoren zu erreichen und die Gesamtenergieeffizienz weiter zu verbessern.
Wissenschaftliches Betriebs- und Wartungsmanagement ist die Grundlage für den effizienten Betrieb von Motoren. Ein System zur Überwachung der Motorenergieeffizienz erfasst Echtzeitdaten wie Motorspannung, Stromstärke, Leistungsfaktor und Temperatur mithilfe intelligenter Sensoren und analysiert die Entwicklung der Energieeffizienz mithilfe einer industriellen Internetplattform, um Abweichungen frühzeitig zu erkennen. Gezielte Wartungsarbeiten sind regelmäßig durchzuführen: Monatliche Überprüfung der Schmierung der Motorlager, Auswahl eines geeigneten Hochtemperatur- und verschleißfesten Fetts zur Reduzierung mechanischer Verluste; vierteljährliche Reinigung der Motorwicklungen und Kühlkörper von Staub und Öl zur Verbesserung der Wärmeableitung und Reduzierung von Kupferverlusten; jährliche Energieeffizienzprüfung der Motoren, Bewertung der Leistungsabnahme und Erstellung von vorbeugenden Wartungsplänen. Nach der Einführung eines intelligenten Betriebs- und Wartungssystems konnte ein Automobilzulieferer die Motorenergieeffizienz im Vergleich zu vorher um 12 % steigern und die Ausfallzeiten um 60 % reduzieren.
Darüber hinaus können Unternehmen je nach ihren individuellen Gegebenheiten auch das Energy Performance Contracting (EPC)-Modell nutzen. Professionelle Energiedienstleistungsunternehmen übernehmen die Investition, Planung, Umrüstung sowie Betrieb und Wartung der Motorenmodernisierung und erzielen so eine Win-Win-Situation durch die Aufteilung der Energieeinsparungen. Dadurch wird der anfängliche Kapitaldruck reduziert. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Modernisierung der Motoreneffizienz kein einzelnes Projekt zum Austausch von Anlagen darstellt, sondern ein systematisches Projekt, das den Austausch durch hocheffiziente Motoren mit der Optimierung der Frequenzumrichtersteuerung und der intelligenten Betriebs- und Wartungsgarantie kombiniert. Durch die Umsetzung dieses Projekts können Unternehmen nicht nur die Energiekosten deutlich senken und die Betriebsstabilität ihrer Anlagen verbessern, sondern auch zur Erreichung der Ziele der Klimaneutralität beitragen und sich einen Wettbewerbsvorteil im Bereich der nachhaltigen Entwicklung sichern.
