Interview zum Syn­chron­re­luk­tanz­mo­tor: “Wir glauben an die Bedeutung höchster Effizienz."

Detailaufnahme eines Synchronreluktanzmotors (SynRM) von ABB.
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Um Umwelt, Klima und Ressourcen zu schonen, muss Energie grün erzeugt und der Verbrauch gesenkt werden. Elektromotoren verbrauchen heute in Industrie und Gebäuden 45 Prozent des Strombedarfs weltweit – und sind damit einer der wichtigsten Hebel zu geringem Verbrauch und hoher Effizienz. Warum Synchronreluktanzmotoren ein Schlüssel für die klimaneutrale Industrie sind und welche Rolle Ökobilanzbetrachtungen über den gesamten Lebenszyklus dabei spielen, erklärt Martin Kunz, Senior Sales Specialist bei ABB Motion im Interview.

Herr Kunz, über viele Jahrzehnte hinweg galt der Asynchronmotor als leistungsfähiger, effizienter Standard für industrielle Anwendungen. Jetzt ist bei ABB immer öfter vom Synchronreluktanzmotor – oder auch kurz SynRMdie Rede. Was steckt hinter diesem Trend?

Die eigentliche Technologie des SynRM ist zunächst einmal nichts Neues: Das Funktionsprinzip wurde bereits vor mehr als 100 Jahren entdeckt. Es gab aber lange Zeit nicht die nötige Technik, um solche Motoren zu betreiben, da ein direkter Netzanschluss nicht möglich ist. Möglich wurde ihr Einsatz erst durch die kostengünstige Massenproduktion von Frequenzumrichtern und die Entwicklung entsprechender Regelverfahren. Hinzu kommt: Energieeffizienz war in der Vergangenheit lange kein wichtiges Thema. Die Entwicklung der Effizienzklassen – von IE1 über IE2, IE3 und IE4 bis hin zu IE5 – war vor allem regulatorisch getrieben, zu einer Zeit, in der man sich über Energiekosten noch wenig Gedanken machen musste. Heute fordern aber auch Betreiber Energieeffizienz ein und sagen: Wir haben Wettbewerbsnachteile, weil die Energie an unserem Standort zu teuer ist. Das kann nur mit hoher Effizienz ausgeglichen werden. Die beste Möglichkeit, höchste Effizienz in der Antriebstechnik zu erreichen, ist der SynRM von ABB in Verbindung mit rückspeisefähigen ABB-Frequenzumrichtern. 

Martin Kunz von ABB Motion im Interview über den Synchronreluktanzmotor (SynRM)

Martin Kunz, Senior Sales Specialist bei ABB Motion

Wie funktioniert ein Synchronreluktanzmotor?

Video, dass die Funktionsweise eines Synchronreluktanzmotor (SynRM) erklärt.

Welchen Beitrag leistet der Motor genau zur Energieeffizienz? 

Ein wesentlicher Vorteil des Synchronreluktanzmotors ist sein nahezu konstant hoher Wirkungsgrad über einen breiten Drehzahlbereich hinweg. Selbst bei kleineren Drehzahlen liegt der Wirkungsgrad des SynRM oft noch weit über 90 Prozent, während er bei einem Asynchronmotor mit gleicher Leistung zum Teil bereits bis auf unter 80 Prozent gesunken ist. Deshalb punkten Reluktanzmotoren insbesondere im Teillastbereich und erzielen so hohe Energieeinsparungen. Das ist gut für die Umwelt und bietet zugleich Wettbewerbsvorteile für den Betreiber. 

Reluktanzmotoren leisten also einen wertvollen Beitrag, da die Technologie höchste Energieeffizienz erreicht – und das, ohne dass wertvolle Ressourcen benötigt werden, die immer begrenzter verfügbar sind. Damit grenzt sich der SynRM zusätzlich von Permanentmagnetmotoren ab. Denn diese sind zwar ebenfalls hocheffizient, bei der Herstellung von Magneten werden aber Seltene Erden benötigt, die überwiegend aus Fernost importiert werden.

Aufnahme eines Synchronreluktanzmotors (SynRM) von ABB.

Schaut man sich die Entwicklung von Elektromobilität und Windkraft an, scheint es an Seltenen Erden aber doch nicht zu mangeln. 

Bislang nicht. Aber gerade diese Entwicklung spricht sogar für den SynRM: Denn die starke Nachfrage durch die Elektrifizierung des Verkehrssektors und den Ausbau der Windkraft hat in der Vergangenheit zu einem starken Preisauftrieb bei diesen Rohstoffen geführt. Permanentmagnetmotoren sind deshalb relativ teuer in der Herstellung und Anschaffung. In der Industrie wird der Amortisationszeitpunkt im Vergleich zu Reluktanzmotoren oftmals erst spät oder gar nicht erreicht, da der Wirkungsgradvorteil nur minimal ist. Hinzu kommt die Umweltbelastung: Bei Abbau und Transport der Seltenen Erden wird viel CO2 freigesetzt, sodass der vermeintliche Effizienzvorteil des Permanentmagnetmotors teilweise sogar komplett schwindet, wenn die gesamte Ökobilanz betrachtet wird. Der Reluktanzmotor ist im Vergleich dazu aber bereits während der Produktion effizient, da kein CO2 für Abbau und Transport von Seltenen Erden freigesetzt wird. 

Synchronreluktanzmotoren können allerdings nur mit Frequenzumrichter betrieben werden. Stellt das nicht einen Nachteil bei den Kosten dar? 

Im Gegenteil, gerade die Kombination aus SynRM und Frequenzumrichter ist der Schlüssel zur Senkung der Kosten. Denn durch den Umrichter kann bei geringer Auslastung zum Beispiel die Drehzahl einer Pumpe bedarfsgerecht reduziert werden. Und der Reluktanzmotor punktet selbst bei kleiner Drehzahl mit hohem Wirkungsgrad, wie bereits zuvor erläutert. Beim Reluktanzmotor kommt es außerdem auf die optimale Inbetriebnahme, den passenden Frequenzumrichter und das passende Regelverfahren an. Hier bieten wir als Systemlieferant die Garantie dafür, dass der ABB-Umrichter und der ABB-Reluktanzmotor perfekt aufeinander abgestimmt sind. 

Im Prinzip ist das wie beim Pkw: Niemand würde sich ein Elektroauto von Hersteller A kaufen und anschließend einen anderen Elektromotor von Hersteller B einbauen. So ist es auch in der Industrie. Hersteller, die ausschließlich Motoren oder Frequenzumrichter anbieten, können nicht garantieren, dass das System zuverlässig funktioniert und dabei auch noch effizient ist. Im Servicefall ist es für den Kunden zudem schwierig bis unmöglich, zu klären, ob nun der Motor oder der Umrichter das Problem verursacht. Am besten ist es also, von Anfang an das gesamte System zu betrachten und alles aus einer Hand zu erhalten. 

Foto eines Synchronreluktanzmotors im Querschnitt.

Empfehlen Sie den Einsatz von SynRM und Frequenzumrichter trotzdem auch für Bestandsanlagen? 

Auf jeden Fall! Gerade für Retrofits bieten Synchronreluktanzmotoren viele Vorteile. Bei beengten Einbauverhältnissen zum Beispiel ist die High-Output-Variante sinnvoll, da hier oftmals eine bis zwei Motorbaugrößen eingespart werden. Denn wegen ihrer höheren Effizienz weisen Reluktanzmotoren thermische Reserven auf, die für eine höhere Wellenleistung genutzt werden können. Alternativ können sie die thermische Reserve beibehalten und so den Wirkungsgrad steigern. Wir sprechen dann von der High Efficiency Variante des Motors. Sie bleiben dann in der Regel in der gleichen Baugröße und genießen die Vorteile der Effizienzklasse IE5. 

Welchen Unterschied macht die Effizienzklasse in der Praxis? 

Einer unserer Kunden, der Verpackungshersteller Model Group, betreibt eine Papiermaschine seit August 2020 mit 36 ABB-Motoren der Effizienzklasse IE4, die durch unsere Frequenzumrichter gesteuert werden. Durch diesen Retrofit spart das Schweizer Unternehmen im Jahr fast 900.000 kWh seines Energieverbrauchs. Bei der Gegenüberstellung von SynRM und Asynchronmotor ergibt sich allgemein, dass eine Amortisation oft schon nach zwei bis drei Jahren erreicht ist. Der Umstieg lohnt sich daher immer, selbst wenn die Anschaffungskosten etwas höher sind. 

Synchronreluktanzmotoren von ABB

Bildschirmaufnahme einer Website, in die verschiedenen Synchronreluktanzmotoren und die dazu passenden Frequenzumrichter von ABB präsentiert werden.

Das gesamte ABB-Sortiment von Synchronreluktanzmotoren und passenden Frequenzumrichtern finden sie HIER.

 

Bietet ABB einen Rechner für die Lebenszykluskosten, mit dem die Total Costs of Ownership und andere Aspekte über die Nutzungsphase hinweg kalkuliert werden können? 

Wir haben verschiedene Rechner, sodass für verschiedene Applikationen wie Pumpen oder Lüfter schnell die Einsparpotenziale berechnet werden können. Besonders charmant finde ich das webbasierte Ecodesign Tool, mit dem für verschiedene Lastpunkte die Effizienz des kompletten Antriebssystems kalkuliert wird, also für Frequenzumrichter und Motor. Denn wie schon gesagt: Neben einem effizienten Motor braucht es auch einen effizienten Umrichter, damit unterm Strich tatsächlich Energie eingespart wird. Das Ecodesign Tool ist intuitiv und leicht zu bedienen und ermöglicht eine schnelle Einschätzung, wie schnell sich die hocheffizienten Antriebe amortisieren. 

Wir haben schon über verschiedene Varianten der Synchronreluktanzmotoren gesprochen. Neu ist der SynRM LC. Was hat es damit auf sich? 

LC steht für die Variante Liquid Cooled. Die Flüssigkeitskühlung bietet den Vorteil besonders kompakter Motoren. Da die Luftkühlung im Vergleich weniger effizient ist, benötigt der der luftgekühlte Motor größere Oberflächen, um diesen Nachteil zu kompensieren. Ein längerer Betrieb bei kleinen Drehzahlen, beispielsweise bei Extrudern, ist mit flüssigkeitsgekühlten Motoren problemlos möglich. Hier muss bei luftgekühlten Motoren sogar zusätzlich ein Fremdlüfter angebaut werden. In vielen Fällen reicht dafür der Einbauplatz nicht mehr aus. 

Wir bieten übrigens alle LC-Motoren in der Effizienzklasse IE5, also mit dem Wirkungsgrad Ultra-Premium an – von 55 bis 600 Kilowatt. ABB ist der einzige Hersteller mit diesem Angebot über ein so großes Leistungsspektrum hinweg. Das ist besonders in Branchen mit hohem Leistungsbedarf relevant, also neben der kunststoffverarbeitenden Industrie etwa in der Lebensmittelproduktion. Dort sind gleichzeitig die Einbauverhältnisse oft beengt und teilweise würde der Luftstrom des luftgekühlten Motors den Prozess nachteilig beeinflussen, zum Beispiel indem Pulver aufgewirbelt würde. Flüssigkeitsgekühlte Reluktanzmotoren punkten unter diesen Voraussetzungen doppelt: zum einen durch ihre kompakte Bauweise und zum anderen durch eine schnelle Amortisation durch höchste Energieeffizienz. 

Im Prinzip ist die Flüssigkeitskühlung aber für alle Branchen interessant. Zum Beispiel kann das für die Kühlung verwendete Wasser auch ideal für die nachhaltige Beheizung von Industriehallen oder Bürogebäuden genutzt werden, wenn es in Fernwärmenetze eingespeist wird. Wenn in der Herstellung Wärme ins Produkt eingetragen werden muss, etwa um die Viskosität zu beeinflussen, kann die Abwärme auch auf diese Art genutzt werden. In vielen Betrieben existiert die Infrastruktur für Flüssigkeitskühlung ohnehin bereits. 

Für Betriebe, die über diese Infrastruktur nicht verfügen, klingt das allerdings nach einem gewissen Aufwand. 

Etwas Planung ist natürlich schon nötig. Aber darum geht es ja heute: Wir müssen ganzheitlich denken, im Sinne der Ökobilanz der kompletten Produktion über den gesamten Lebenszyklus hinweg. Energieeffizienz ist hier nur ein Aspekt: Entweder man hat sie oder man hat sie nicht. Und eine vollständig auf regenerativen Energien basierende Wirtschaft erreichen wir umso schneller, je schneller die Effizienz der Verbraucher erhöht wird. Da ein Großteil der elektrischen Energie auf elektrische Industriemotoren entfällt, sollte vor allem die Effizienz im Bestand durch Retrofitmaßnahmen erheblich gesteigert werden. 

Wir glauben an die Bedeutung höchster Effizienz. Deshalb glauben wir auch an die Zukunft des Reluktanzmotors, und deshalb sind wir bei dieser Technologie auch Vorreiter. Ich bin mir sicher, dass dieser Standpunkt sich als richtig erweisen wird.