Wirtschaftlichkeitsvergleich Elektromotoren Effizienzklasse 1

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Excel-Datei für Berechnung in Version 1.1 (Tabellenblatt mit Kommentar und Tabellenblatt für Berechnung).

Ab 1998 gab es in Europa eine freiwillige Vereinbarung, welche Elektromotoren in Effizienzklassen einteilte [5.7, Seite 30]. Der europäische Herstellerverband CEMEP verständigte sich mit der zuständigen Generaldirektion Energie der europäischen Kommission, eine Klassifizierung von Elektromotoren einzuführen. Danach wurden Drehstrommotoren im Leistungsbereich zwischen 1,1 und 90 kW (ausschliesslich 2- und 4-polige Motoren) in drei sogenannte Effizienzklassen ("eff-Klassen" eff = efficiency) eingeteilt. Zur Klassifizierung wurden drei Grenzkurven festgelegt. Die Hersteller bescheinigen durch Herstellererklärungen die Einhaltung der geforderten Grenzwerte. Um Transparenz zu erreichen, wurden zahlreiche Randbedingungen wie z.B. das Messverfahren zur Wirkungsgradbestimmung gemäss DIN EN 60034-2 (IEC 34-2) definiert. Die Freiwillige Vereinbarung ist 1998 in Kraft getreten und wurde 2006 bis Ende 2009 verlängert.

Das EFF-Logo wurde von CEMEP zurückgezogen. Ab 10. Februar 2010 ist es nicht erlaubt, für neue Motoren die Marken EFF1, EFF2 und EFF3 zu benutzen. Stattdessen empfiehlt CEMEP die neuen Effizienzklassen der IEC 60034-30 (IE-Richtlinie) anzuwenden.

In der Norm "IEC 60034-30:2008" [5.8] sind ab 2008 die Effizienzklassen für Elektromotoren mit IE1, IE2, IE3, IE4 bezeichnet.
Diese Norm soll die unterschiedlichen Effizienzklassen-Standards in der Welt harmonisieren und so für die Hersteller eine Vereinfachung bringen.

• IE4 – Super Premium Efficiency
• IE3 – Premium Efficiency (equivalent to NEMA Premium)
• IE2 – High Efficiency (equivalent to EPAct/EFF1)
• IE1 – Standard Efficiency (equivalent to EFF2)
• No designation – below standard efficiency – (equivalent to EFF3)

Im März 2014 wurde die Norm IEC 60034-30-1 veröffentlicht. Sie ersetzt die Norm IEC 60034-30:2008, die bisher drei Wirkungsgradwerte für 3-Phasen Asynchronmotoren festlegte. Die aktualisierte Norm IEC 60034-30-1 wurde erweitert um den Wirkungsgrad IE4. Darüber hinaus werden jetzt 8-polige Motoren und ein erweiterter Leistungsbereich in der Norm berücksichtigt.

Grafik mit der Nenn-Mindesteffizeinz von 50 Hz elektromotoren 2-polig (Synchrondrehzahl 3'000 min-1) für IE1, Eff2, IE2, EFF1, IE3

Diagramm mit den Grenzwerten der alten und der neuen Effizienzklassen.
Gilt für 2-polige 50Hz-Motoren (Synchrondrehzahl 3'000 min^-1).

In den meisten Fällen lohnt es sich, Motoren mit der aktuell besten erhältlichen Effizienzklasse (z.B. IE 4) einzusetzen. Dies, auch wenn diese nicht oder noch nicht gesetzlich vorgeschrieben sind. Der Mehrpreis für einen Elektromotor mit einer höheren Effizienzklasse ist meist in kurzer Zeit amortisiert. Dazu ein kurzer Vergleich an Hand eines konkreten Beispieles:

Bemerkung: Bei bestehenden (grösseren) Motoren lohnt es sich, die aufgenommene Wirkleistung zu messen. Die Wirkleistung kann oft von der Nennleistung abweichen (siehe auch 5.6, Kap. 3.2, Seite 37+38).

2.2 Vorgehen

1.    Motorauswahl, Ermitteln der Motorauslastung
2.    Beschaffen der Motordaten
3.    Ermitteln des Wirkungsgrades bei der verwendeten Motorauslastung
4.    Berechnung der bezogenen Leistung
5.    Berechnung des Energieverbrauches
6.    Kostenberechnung, Ermittlung der Amortisationszeit

Die Berechnung kann mit einer Excel-Datei ausgeführt werden. Das Vorgehen bleibt gleich.

2.3 Ermittlung Motorauslastung

MA	=	Motorauslastung [-]
P_mech	=	benötigte Antriebsleistung [kW]
P_N	=	Nennleistung des Elektromotors [kW]

(Bemerkung: Die Motorauslastung wird benötigt, damit bei den Hersteller Angaben der Wirkungsgrad bei der entsprechenden Auslastung [50%, 75%, 100%] gewählt werden kann.)

Variante A: Daten des Motors Effizienzklasse 2

Liste Elektromotoren Effizienzklasse 2, mit Motor-Typ, Technischen Daten, Leistung, Stromaufnahme, Wirkungsgrad und Effizienzklasse nach CEMEP
Abbildung 2.1: Technische Daten Motor Effizienzklasse 2, Werte der Firma Unitec AG, Kloten [5.5].

Kosten des Motors Sg180L-4: Fr. 1'951.- (Endverbrauchspreis inkl. MWST)

Variante B: Daten des Motors Effizienzklasse 1

Liste Elektromotoren Effizienzklasse 1, mit Motor-Typ, Technischen Daten, Leistung, Stromaufnahme, Wirkungsgrad und Effizienzklasse nach CEMEP
Abbildung 2.2: Technische Daten Motor Effizienzklasse 1, Werte der Firma Unitec AG, Kloten [5.5].

Kosten des Motors SEE180L-4: Fr. 2'240.- (Endverbrauchspreis inkl. MWST)

Kostendifferenz: Fr. 2'240.00 - Fr. 1'951.00 = Fr. 289.-

(Bemerkung: Dieser Preisvergleich wurde auch mit anderen Motorenfabrikaten gemacht. Das Resultat war für diese Bespielrechnung (22 kW Fussmotor) immer ähnlich: ca. Fr. 300.- Differenz. Stand Januar 2005)

2.4 Ermittlung des Wirkungsgrades

Wirkungsgrad Variante A (Effizienzklasse 2)	91.0% (η_N gemäss Tabelle Hersteller bei der ermittelten Auslastung)
Wirkungsgrad Variante B (Effizienzklasse 1)	92.6% (η_N gemäss Tabelle Hersteller bei der ermittelten Auslastung)

Sind keine Herstellerdaten in Tabellenform vorhanden, so können für eine Abschätzung das untenstehende Diagramm oder die Tabellen auf der Seite "Nennmindesteffizienz + Effizienzklassen von Elektromotoren" verwendet werden.
Mit Vorteil wird jedoch mit Herstellerangaben gearbeitet, da innerhalb der Effizienzklassen von Hersteller zu Hersteller auch noch grosse Unterschiede vorhanden sein können.

Diagramm Wirkungsgradverlauf bezogen auf die Leistung von Elektromotoren Effizienzklasse 1 und 2 und Grenzwerte gemäss CEMEP
Abbildung 2.3: Diagramm mit den Effizienzklassen (EFF-Bereiche blau, grau und weiss) und Kurvenverläufe von am Markt erhältlichen Motoren. Quelle: Firma Unitec AG, Kloten [5.5].

2.5 Berechnung der bezogenen Leistung

P_el	=	elektrische Leistungsaufnahme [kW]
P_mech	=	benötigte Antriebsleistung [kW]
η_n	=	Motorwirkungsgrad bei der ermittelten Auslastung [-]

2.6 Berechnung des Energieverbrauches

E_el	=	elektrischer Energieverbrauch [kWh]
P_el	=	elektrische Leistungsaufnahme [kW]
t	=	Betriebsdauer [h]

Differenz: 52'200 kWh – 51'300 kWh = 900 kWh

2.7 Kostenberechnung, Ermittlung der Amortisationszeit

Mehrkosten Energie: 900 kWh x Fr. 0.15 = Fr. 135.00 / p.a.

Mehrkosten Leistung 0.36 kW x Fr. 63.60 = Fr. 22.90 / p.a.

Total Kosteneinsparungen pro Jahr = Fr. 157.90

Mehrkosten Motor Effizienzklasse 1 = Fr. 289.00

Amortisationszeit (als einfaches Verhältnis) = 1.83 Jahre

Bei einer angenommen Lebensdauer des Motors von 10 Jahren ergeben sich Einsparungen von gesamthaft Fr. 1'290.-. Diese Einsparung ergibt einen jährlichen "Zinsertrag" für diese Investition von ca. 45% ^*1.

^*1 Wenn Fr.100.- auf der Bank zu 5% verzinst werden, erhält man Ende Jahr Fr. 5.- als Zinsbetrag. Wird eine Stromsparmassnahme realisiert, welche pro Jahr Fr. 100.- kostet (eine Lebensdauer von einem Jahr hat) und Einsparungen pro Jahr von Fr. 120.- ergibt, so erhält man die investierten Fr. 100.- zurück und dazu noch Fr. 20.-, was einem Zins von 20% entsprechen würde.

(Als Berechnung einfache Verhältnisbildung: (((Lebensdauer der Massnahmen * Einsparungen)-Investitionskosten) / Investitionskosten) / Lebensdauer [%] pro Jahr, ohne Berücksichtigung von Zinseszinsen.)

Verlangen Sie von Ihren Lieferanten und Maschinenherstellern Motoren der höchsten Effizienzklasse. Die Mehrkosten sind bei normaler Auslastung in den meisten Fällen innert kurzer Zeit (max. 3 Jahre) amortisiert!

3. Wirkungsgradvorschriften, Gesetzliche Mindest-Wirkungsgrade

Der Bundesrat hat am 24. Juni 2009 für Geräte, Motoren und Lampen gesetzliche, energetische Anforderungen erlassen. Am 21. Mai 2017 hat das Stimmvolk dem totalrevidierten Energiegesetz (EnG, SR730.0) zugestimmt, das den Umbau hin zu einer nachhaltigen Energieversorgung vorantreibt. Die Totalrevision des Energiegesetzes machte auch die Anpassung der alten Energieverordnung notwendig. Sie wurde neu in drei einzelne Verordnungen aufgeteilt:
1) Die Energieförderungsverordnung (EnFV, SR730.03), welche den Vollzug von Einspeisevergütungssystem, Einmalvergütung, Investitionsbeiträgen und Marktprämie regelt.
2) Die Energieeffizienzverordnung (EnEV, SR730.02), welche die energetischen Anforderungen an Anlagen, Fahrzeuge und Geräte enthält.
3) Die Energieverordnung (EnV, SR730.01), welche die restlichen Bestandteile der alten EnV enthält, die nicht den vorher genannten Verordnungen zugeteilt wurden.

Im Anhang 2.7 der Energieeffizienzverordnung (EnEV, SR730.02) wird bezüglich der Energieeffizienz von Elektromotoren auf die Europäische Verordnung (EG) Nr. 640/2009 verwiesen.

-> In der Schweiz müssen ab dem 1. Januar 2017 alle Motoren mit einer Nennausgangsleistung von 0,75—375 kW entweder mindestens das Effizienzniveau IE3 erreichen oder dem Effizienzniveau IE2 entsprechen und mit einer Drehzahlregelung ausgestattet sein.

Der Ökodesign-Regelungsausschuss für Elektromotoren der EU-Mitgliedstaaten veröffentlichte am 22. Juli 2009 die Mindestanforderungen für Energieeffizienz von Asynchron-Drehstrommotoren im Amtsblatt der EU (640/2009).
Bezüglich Elektrischer Normmotoren zwischen 0.75 bis 375 kW gelten folgende Vorschriften:

Die Verordnungen basieren auf der RICHTLINIE 2009/125/EG ("Richtlinie zur Schaffung eines Rahmens für die Festlegung von Anforderungen an die umweltgerechte Gestaltung energieverbrauchsrelevanter Produkte. Mit früherer Bezeichnung "Ecodesign Directive for Energy-using Products EuP", Directive 2005/32/EC).

Weitere in China, Korea und Japan. Informationen hierzu können bei Elektromotoren-Hersteller (z.B. SEW Eurodrive) erfragt werden.