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Home > Wissen > Elektro > Wirtschaftlichkeitsvergleich Elektromotoren Effizienzklasse 1

 
 
 
 
 
Wirtschaftlichkeitsvergleich Elektromotoren verschiedener Effizienzklassen
Werkstoffe
 
 

 

 

Ganzer Artikel in Druckversion inkl. Bilder (pdf, 926 kB)
Excel-Datei für Berechnung in Version 1.1 (Tabellenblatt mit Kommentar und Tabellenblatt für Berechnung).

 

Es muss unterschieden werden zwischen den

"neuen" Effizienzklassen IE1, IE2, IE3, IE4 (gemäss [5.8])

und den "alten" Effizienzklassen EFF1, EFF2, EFF3

Die neue IE 1 entspricht in etwa der alten EFF 2.
Die neue IE 2 entspricht in etwa der alten EFF 1.
Die genauen Werte sind auf der Webseite "Nennmindesteffizienz + Effizienzklassen von Elektromotoren" aufgelistet.

 

1.1 Alte Effizienzklassen (EFF1, EFF2, EFF3), 1998-2009

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.

Diagramm Leistung Wirkungsgrad Grenzwerte von Elektromotoren CEMEP mit eingezeichneten Effizienzklassen
Diagramm mit den Grenzwerten der alten Effizienzklassen [5.4, Seite 2].

 

Die CEMEP eff-Klassifizierung erfolgte durch geschützte, lizenzierte Logos:

Logo Klassifizierung Elektromotoren Effizienzklassen CEMEP

EFF 3
Entspricht den 1998 auf dem Markt befindlichen üblichen Wirkungsgraden (hauptsächlich < AH100)

EFF 2
Im Wirkungsgrad verbesserte Motoren
EFF 1
"Hocheffiziente" Motoren, η lag 1998 z.T. über den nordamerikanischen Anforderungen.

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.

 

1.2 Neue Effizienzklassen (IE1, IE2, IE3, IE4), ab 2008

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 (under consideration)
• 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)

(Quelle: [5.7,. Seite 42])

 

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).

Auf der Seite "Nennmindesteffizienz + Effizienzklassen von Elektromotoren" sind weitere Grafiken und Tabellenwerte eingefügt.

 

 

2. Vergleich

In den meisten Fällen lohnt es sich, Motoren mit der aktuell besten erhältlichen Effizienzklasse (früher EFF 1, heute IE 3) 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:

 

2.1       Grundlage

Verwendung Motor für den Antrieb eines Ventilators, Fussmotor
benötigte Antriebsleistung Pmech = 19 kW
Nennleistung des Elektromotors PN = 22 kW
Nenn-Motorendrehzahl ns = 1'500 min-1
Betriebszeit 07:00 bis 12:00 und 13:00 bis 18:00 Uhr,
Montag bis Freitag
50 Wochen
Betriebsdauer 10h pro Tag
50 h pro Woche
2'500 h pro Jahr
Elektrizitätskosten Energie: 0.15 Fr. / kWh
Leistung: 63.60 Fr./ kW und Jahr

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 [-]
Pmech = benötigte Antriebsleistung [kW]
PN   = Nennleistung des Elektromotors [kW]

Formel Ermittlung Elektro-Motorauslastung

Ermittlung Elektro-Motorauslastung

(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 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% (ηN gemäss Tabelle Hersteller bei der ermittelten Auslastung)
Wirkungsgrad Variante B
(Effizienzklasse 1)
92.6% (ηN 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

Pel     = elektrische Leistungsaufnahme [kW]
Pmech = benötigte Antriebsleistung [kW]
ηn      = Motorwirkungsgrad bei der ermittelten Auslastung [-]

Formel Berechnung der bezogenen Leistung (elektrische Leistungsaufnahme gleich benötige Antriebsleistung durch Motorenwirkungsgrad bei der ermittelten Auslastung)

Berechnung der elektrischen Leistungsaufnahme Variante A

Berechnung der elektrischen Leistungsaufnahme Variante B

 

2.6       Berechnung des Energieverbrauches

Eel     = elektrischer Energieverbrauch [kWh]
Pel   = elektrische Leistungsaufnahme [kW]
= Betriebsdauer [h]

 

Formel Berechnung des Energieverbrauches (Elektrischer Energieverbrauch gleich elektrische Leistungsaufnahme mal Betriebsdauer)

Berechnung des elektrischen Energieverbrauches (Variante A, Elektromotor Effizienzklasse 2)

Berechnung des elektrischen Energieverbrauches (Variante B, Elektromotor Effizienzklasse 1

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

 

Berechnung der Amortisation

 

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.)

 

Berechnung des Zinsertrages beim Einsatz eines Elektromotores mit der Effizienzklasse 1

 

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!


Die Berechnung kann auch mit einer Excel-Datei ausgeführt werden.

 

3. Wirkungsgradvorschriften, Gesetzliche Mindest-Wirkungsgrade

3.1 Schweiz

Der Bundesrat hat am 24. Juni 2009 für Geräte, Motoren und Lampen gesetzliche, energetische Anforderungen erlassen. Die Anforderungen sind in einem "Faktenblatt: Revision der Energieverordnung" zusammengefasst.
Bezüglich Elektrischer Normmotoren zwischen 0.75 bis 375 kW gelten folgende Vorschriften:

  • Die Normmotoren müssen ab dem 1. Januar 2010 mindestens die Anforderungen der Energieeffizienzklasse IE1
  • und ab dem 1. Juli 2011 jene der Energieeffizienzklasse IE2 erfüllen.

Der genaue Geltungsbereich (Spannung, Anzahl Pole, Spezialmotoren, usw.) kann in der Amtlichen Sammlung des Bundesrechtes Seite 3473 ("Energieverordnung (EnV) Änderungen vom 24. Juni 2009") auf der Seite 28 nachgelesen werden.

Lagerbestände, die den neuen Vorschriften noch nicht entsprechen, sollen aber von den Schweizer Händlern und Herstellern noch bis Ende 2010 abverkauft werden dürfen. Die genauen Bestimmungen können in der Amtlichen Sammlung des Bundesrechtes Seite 6837 ("Energieverordnung (EnV) Änderung vom 4. Dezember 2009") nachgelesen werden.

Zur Übernahme der weiteren Verschärfungen in den Jahren 2015 und 2017 wird die schweizerische Energieverordnung rechtzeitig revidiert. (Grundlage der Energieverordnung ist das Energiegesetz.)

 

3.2 Europa

Der Ökodesign-Regelungsausschuss für Elektromotoren der EU-Mitgliedstaaten veröffentlichte am 23. 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:

  • Ab 16. Juni 2011: Energieeffizienzklasse IE2
  • Ab Januar 2015: Energieeffizienzklasse IE3 für grosse Motoren (= 7.5 kW) oder IE2 mit variabler Motorsteuerung
  • Ab Januar 2017: Energieeffizienzklasse IE3 für
    alle Motoren oder IE2 mit variabler Motorsteuerung

Der genaue Geltungsbereich und die Ausnahmen sind in der "VERORDNUNG (EG) Nr. 640/2009 DER KOMMISSION vom 22. Juli 2009" in deutscher Sprache und auf Englisch im Dokument "COMMISSION REGULATION (EC) No 640/2009 of 22 July 2009" nachzulesen.

Die Verordnungen basieren auf der RICHTLINIE 2005/32/EG ("Ecodesign Directive for Energy-using Products EuP directive 2005/32/EC")

 

3.3 Weitere Länder

USA in EPAct definiert
Kanada in CSA C 390 definiert
Brasilien  in NBR 17094 definiert
Australien, Neuseeland in MEPS definiert

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

 

 


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Weitere Informationen:

->

Fachausdrücke können Sie im Lexikon nachschlagen.

->

Hinweise zu Lieferanten in der Energie- und Gebäudetechnik (z.B. Lieferanten von Elektromotoren) erhalten Sie im Lieferantenverzeichnis.

-> Links zu Themen der Energie- und Gebäudetechnik (z.B. zum Thema Elektrizität) siehe Links.
-> Optimierungen bezüglich Elektroenergie siehe Optimierungsprojekte.

 

 

Weiterführende themenbezogene Webseiten:

Link Beschreibung, Bemerkungen
www.topmotors.ch

Viele nützliche Informationen, Merkblätter und Tools zum Thema Effizienz im Antrieb.

www.motorchallenge.ch Das "Motor Challenge Programm" ist ein internationales Projekt im Rahmen des europäischen SAVE II - Programms. Es hat die Verbesserung der Energieeffizienz elektrischer Antriebe zum Ziel.
www.energieeffizienz.ch Schweizerische Agentur für Energieeffizienz (S.A.F.E.). Ein
Verein mit Sitz in Zürich, welcher bezweckt, die Energieeffizienz in der Schweiz zu fördern.
www.motorsummit.ch

Webseite zum Anlass "Motor Summit". Mit den Tagungsunterlagen, Präsentationen und Fachvorträgen.

Antriebstechnik Webseite von www.energie.ch zum Thema Auslegung von Elektromotoren.
www.ecomotors.org

Auf dieser Webseite sind die Ergebnisse und Empfehlungen aus dem europäischen Programm "Ecodesign Program for Energy-using Products (EuP) Lot 11" für Motoren, Pumpen, Umwälzpumpen und Ventilatoren verfügbar.

http://www.ecomotors.org/files/
Lot11_Motors_1-8_280408_final.pdf

Technischer Berichte innerhalb des europäischen "Ecodesign Program for Energy-using Products Lot 11" zum Thema Elektromotoren.

pdf-Dokument, 2.98 MB

www.sew-eurodrive.de/s_drmotor_amortisation/ Amortisationsrechner für Energiesparmotoren (Firma SEW).
Bemerkung: Der Rechner rechnet mit der Nennleistung und nicht mit dem effektiven Leistungsbedarf.
www.vem-group.com/eigenes/
energiespar.php?rechner
Amortisationsrechner für Energiesparmotoren (Firma VEM).
Bemerkung: Auch dieser Rechner rechnet der Einfachheit halber mit der Nennleistung sowie mit dem Wirkungsgrad bei Nennlast (und nicht mit dem effektiven Leistungsbedarf und dem effektiven Wirkungsgrad bei der benötigen Leistung).
http://www.industry.siemens.com/drives/
global/de/motor/niederspannungsmotoren/
energiesparrechner/Seiten/Default.aspx
Energiespar-Rechner für Energiesparmotoren (Firma Siemens).
Bemerkung: Auch dieser Rechner rechnet der Einfachheit halber mit der Nennleistung sowie mit dem Wirkungsgrad bei Nennlast (und nicht mit dem effektiven Leistungsbedarf und dem effektiven Wirkungsgrad bei der benötigen Leistung).
www.dolder-ing.ch/wissen/Elektro/
elektromotor_wirkungsgrad_effizienz.htm
Seite, in der Tabellen und Grafiken zu den Mindestwirkungsgraden von Elektromotoren aufgeführt sind.

 

 

Artikel mit den Stichworten Ingenieurbüro Dolder, Elektromotoren, Effizienzklassen, Grenzwerte, EuroDEEM, EFF, CEMEP, Motor, Wirkungsgrad, Energie, Verbrauch, Strom, Klassifizierung, Technik, Wirtschaftlichkeit, Technische Gebäudeausrüstung, Industrie, Planungen, Optimierungen, Heizung, Lüftung, Klima, Kälte. Link Europäische Datenbank für Energieeffiziente Motoren: EuroDEEM Artikel mit den Stichworten Ingenieurbüro Dolder, Elektromotoren, Effizienzklassen, Grenzwerte, EuroDEEM, EFF, CEMEP, Motor, Wirkungsgrad, Energie, Verbrauch, Strom, Klassifizierung, Technik, Wirtschaftlichkeit, Technische Gebäudeausrüstung, Industrie, Planungen, Optimierungen, Heizung, Lüftung, Klima, Kälte. Link Europäische Datenbank für Energieeffiziente Motoren: EuroDEEM Artikel mit den Stichworten Ingenieurbüro Dolder, Elektromotoren, Effizienzklassen, Grenzwerte, EuroDEEM, EFF, CEMEP, Motor, Wirkungsgrad, Energie, Verbrauch, Strom, Klassifizierung, Technik, Wirtschaftlichkeit, Technische Gebäudeausrüstung, Industrie, Planungen, Optimierungen, Heizung, Lüftung, Klima, Kälte. Link Europäische Datenbank für Energieeffiziente Motoren: EuroDEEM


 

 

 
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