naar top
Menu
Logo Print

IE3-EFFICIENTE MOTOREN

Aandacht verschuift van motoren naar samengestelde producten

Energie-efficiëntie is een stokpaardje van de EU. Niet onterecht, in het kader van de opwarming van de aarde. Tezelfdertijd heeft Europa ook aandacht voor onafhankelijkheid: vrijkomen van bv. de import van essentiële grondstoffen zoals fossiele brandstoffen en van de zeldzame aardmetalen die nodig zijn voor het maken van permanente magneten ... Tijd voor een gesprek met Marc Delens, technical officer van CEB-BEC, en Serge Noels, zaakvoerder van EmBet en vertegenwoordiger van het European Copper Institute.

WETGEVER VRAAGT STEEDS ZUINIGERE PRODUCTEN

Al in 2009 kondigde de EG de verordening EC 640/2009 af (ecodesign van elektrische motoren). Het was zoeken naar een snel bereikbare energiebezuiniging. Industriële elektromotoren zijn de werkpaarden van de industrie en zijn goed voor zo'n 70% van het energieverbruik in de productie-industrie. Enkele percenten stijging in efficiëntie de verhouding tussen de energie op de as en de ingebrachte elektrische energie leidt al tot heel wat kWh's energiebesparing. Deze verordening werd begin 2014 geamendeerd. In deze verordening 4/2014 staat dat vanaf 1 januari 2017 de vereiste energiezuinigheid van de driefasige kooiankermotoren (50/60 Hz, tot 1000 V) in het vermogensbereik 0,75 tot 375 kW minimaal IE3 diende te zijn. Het betreft dus de motoren die sinds die datum werden geleverd. IE2-motoren mogen sindsdien enkel nog geleverd worden in combinatie met een snelheidsregeling. Iets wat tegenstrijdig is in denken, aangezien de richtlijn 'motoren met een vaste snelheid' betreft. Bovendien kost een snelheidsregeling ook energie en heeft die tot gevolg dat de motor niet op zijn meest efficiënte punt wordt gebruikt.

ENERGIEZUINIGHEID BEWIJZEN VIA NORMEN

Marc Delens, technical officer CEB-BEC

De verordening verwijst ook naar de IE-klassen. Die zijn vastgelegd in de internationale standaard IEC 60034-30-1:2014. De eerste versie daarvan dateert van 2008. Daarin werden de energie-efficiëntieklassen voor driefasige kooiankermotoren (50/60 Hz, tot 1.000 V) van 0,75 kW tot 375 kW opgedeeld in vier groepen. Ze staren vanaf IE1, toen de 'standaardefficiëntie', maar vandaag bestempeld als 'te veel energie consumerend'. Bijgevolg mogen motorfabrikanten die dus wettelijk niet meer leveren. De toen als IE2 'high efficiency' bestempelde categorie mag ondertussen ook niet meer geleverd worden, tenzij met een snelheidsregeling. Het gevolg is dat gebruikers nu minimaal IE3-premium- en IE4-superpremiummotoren toepassen in hun aandrijvingen.

FABRIKANTEN PUSHEN ZELF RICHTING HAALBAARHEIDSLIMIET

Efficiëntiepercentages volgens vermogen per efficiëntieklasse, voor vierpolige motoren (50 Hz)
Men kan echter gerust stellen dat, hoewel de normcommissies er nog niet uit zijn, de meeste motorfabrikanten hoge verwachtingen kregen met deze overheidsstimulans richting steeds energiezuinigere motoren. Er stond toen ook in de richtlijn van 2009 dat die na zeven jaar zou worden herbekeken in functie van de stand der techniek. De verwachting was dat de wetgever snel een zo hoog mogelijke efficiëntie van motoren zou eisen. Daarom wachtten fabrikanten niet op de IE4-normering om te investeren in motoren met rendementen die volgens de verwachtingen in deze (vandaag) strengste categorie zouden vallen. Ze werken ook al aan motoren die voldoen aan de te verwachten, nog strengere IE5-categorie. De fabrikanten pushen dus zelf richting de haalbaarheidslimiet.

TEGENVALLENDE IE4-MARKT

Beperkte beschikbaarheid en prijsonzekerheid rond zeldzame metalen zoals neodymium stuwen het onderzoek naar permanente magneten en elektrische motoren met minder of geen dergelijke elementen.
In de praktijk valt de markt voor IE4 echter wat tegen. De hoge kostprijs van de nieuwe vindingen heeft daar zeker mee te maken. Het prijsverschil is via de energiebesparing in enkele jaren makkelijk teruggewonnen, maar de startinvestering is voor vele klanten belangrijker dan de exploitatiekosten. Dus daar waar de energiebesparing niet spectaculair is doordat de motoren gedurende 100% van de tijd quasi continu gebruikt worden (zoals misschien in zware diepvriessystemen) bestaat er een algemene terughoudendheid om te investeren in energiezuinigheid. Dat geldt voor de eindklanten en zeker ook voor de machinefabrikanten.

PERMANENTMAGNEETMOTOREN (G)EEN ALTERNATIEF?

Ook technisch ligt het IE4-verhaal voor 'klassieke' kooiankermotoren moeilijk. Om hoge efficiënties te halen, moet technisch het onderste uit de kan worden gehaald. Er zijn IE4-motoren waarbij het aluminium in het kooianker is vervangen door het (veel duurdere en een stuk zwaardere) koper. Door koper toe te voegen aan de statorwindingen, is het mogelijk om motoren te ontwikkelen die beter aan de hitte kunnen weerstaan. Twee derde van het elektrische verlies in een AC- inductiemotor vindt immers plaats in de stator. De toevoeging van de koperen rotor vermindert de verlieslatende resistieve opwarming. 

De volumetrische elektrische geleidbaarheid van koper is zowat 66% hoger dan die van aluminium, wat het mogelijk maakt om motoren te maken die een hoger efficiëntieniveau bereiken. Het gewicht van de motor is echter ook een factor die meespeelt. De meeste fabrikanten zijn binnen het IE4-verhaal dan ook overgestapt op een ander type motor: die met permanente magneten (PM-motoren). Dat zijn compactere, energiezuinigere motoren. Men komt dan eigenlijk terecht in het verhaal van de synchrone motoren. Deze magneetmotoren functioneren op enkele hybride kooianker/PM-motoren na enkel nog met een aangepaste frequentiesturing. Maar synchrone aandrijvingen zijn ook aandrijvingen. Er wordt ook dikwijls gezegd dat de meeste toepassingen door de flexibilisering in de automatisering toch gebruikmaken van snelheidsgestuurde motoren. Deze motoren geven bovendien een hoog koppel bij lage verliezen.

De 'maar' bij pm-motoren
Er zijn echter enkele addertjes onder het gras. Eerst is er de hoge prijs, de bedenking dat het gaat om 'zeldzame aardmetalen', dus de beschikbaarheid van deze materialen (en de politieke toestand van de locaties waar deze worden gewonnen) is onzeker. En er zijn ook de technische waarschuwingen (o.a. het demagnetiseren bij hogere temperaturen). Het grote alarmpunt ligt echter bij Europa: permanente magneten zijn opgebouwd uit zeldzame aardmetalen. Dus stelt zich de vraag 'hoe past dit in een duurzame ontwikkeling?'. Een bijkomende opmerking in de wandelgangen: “De grondstoffen komen uit politiek minder stabiele landen, dus zou op termijn de levering ervan een economisch zwaard van Damocles kunnen zijn."
EU-onderzoek naar nieuwe inductiemotoren

In de Europese (politieke) wereld van de elektrische motoren gaan er dan ook stemmen op om dit type motoren 'te ontmoedigen'. Het betreft vandaag dan vooral de voertuigaandrijving, waarbij vandaag het merendeel van de autoconstructeurs, op slechts twee uitzonderingen na (Tesla en Renault), magneetmotoren gebruikt. De EU wil in deze sector vooral het onderzoek naar nieuwe concepten voor inductiemotoren steunen. Dit ideeëngoed zou wel eens in de wetgeving voor industriële toepassingen kunnen worden meegenomen. De machinebouwers zijn gewaarschuwd. Misschien een kans om de DC-motortechnologie weer op te waarderen in synchroontoepassingen?

OVER DE ENERGIE-EFFICIËNTIE VAN SYSTEMEN
De energiezuinigheid van een systeem (zoals een machine) is niet simpelweg gelijk aan de optelsom van de energiezuinigheid van de componenten. Een makkelijk voorbeeld: heeft men een aandrijfas nodig waarvan de snelheid varieert, dan kan men kiezen voor een energiezuinige motor en een energiezuinige aandrijving. Maar die aandrijving geeft wel enkele procenten energieverlies. Gebruikt men die aandrijving echter met een continue snelheid of op twee vaste snelheden, dan kan een oplossing zonder aandrijving, maar met een specifieke motor toch een pak energiezuiniger zijn zelfs met een motor van een lagere zuinigheidsklasse.

METEN EN BEREKENEN VAN SYSTEMEN

De IEC 60034-30-1-norm sluit een aantal 'moeilijke' gevallen uit, en in die gevallen mag men nog altijd (veel goedkopere, maar minder zuinige) IE1-motoren gebruiken. Enkele uitzonderingen zijn begrijpelijk, zoals de motoren die zijn ontworpen voor het gebruik in een vloeistof, voor het gebruik op een hoogte van 1 km boven de zeespiegel, voor omgevingstemperaturen boven 40 °C, motoren waarvan de werkingstemperatuur hoger ligt dan 400 °C, watergekoelde motoren en Rx-motoren. Het veilig blijven functioneren van die motoren is dan voor de wetgever belangrijker dan de energiezuinigheid.

En50598 'extended product approach'

Ook motoren die volledig in een product zijn ingekapseld en waarvan de energieprestaties niet onafhankelijk van het product te testen zijn, vallen uit de wetgeving. Voorbeelden in de richtlijn zijn o.a. een pomp, een ventilator of een compressor. Deze bepaling speelt vaak in het voordeel van geïmporteerde (goedkopere) systemen. Omdat de nood zich opdrong voor de Europese machinefabrikanten om de efficiëntie van volledige aandrijfsystemen te kunnen vergelijken (en te bewijzen dat ze dus beter zijn), wordt er gewerkt aan een norm voor het berekenen van de efficiëntie van deze toepassingen. Die zou dan toepasbaar zijn voor elke toepassing die te klasseren is onder 'aandrijfsysteem', inclusief een motor met frequentiesturing. Het betreft de EN50598 (EPA Extended Product Approach). Volgens die norm kan men een EEI (Energy Efficiency Index) berekenen in specifieke gestandaardiseerde belastingspunten.

IEC 60034-2-3: energiezuinigheid van aandrijving in volledige machine

Een berekende 'index' is belangrijk, maar daarnaast is er een methode nodig om de energiezuinigheid van de aandrijving in een volledige machine te kunnen meten. Dat is het doel van IEC 60034-2-3, rond testmethodes voor draaiende elektrische machines. Ook die zit nog in een draftstadium, maar er is vooruitgang. Ze is op 24/02/2016 gereleased, ondanks protest van o.a. België, omdat er in de draft gewerkt wordt met te weinig relevante belastingspunten (belastingen versus snelheden). Eigenlijk moeten er per toepassing (compressor, ventilator etc.) een aantal relevante belastingspunten worden gedefinieerd. Eén enkel 'classification number', toegekend bij een specifieke motorsnelheid en belasting, kan heel misleidend zijn voor klanten.

KENNIS VAN DE TOEPASSING IS CRUCIAAL

Serge Noels, zaakvoerder EmBet en vertegenwoordiger European Copper Institute

Het is duidelijk en vele machinefabrikanten wijzen hierop dat gestandaardiseerde meet- en berekeningsmethodes nodig zijn om een eerlijke concurrentie te kunnen opzetten. Ondanks alle normen blijven het gezond verstand en kennis van zaken belangrijk om 'the best practice' in energiezuinig werken te realiseren. Die biedt enerzijds een competitief voordeel aan de gebruiker, maar helpt anderzijds de EU om de 2020 energiedoelstellingen te halen. Alleen moet de wetgever beseffen dat het verplichten van producten ook al is het gebaseerd op weldoordachte normen niet altijd de beste methode is om energiezuinige doelstellingen te behalen.