- Motor Summit
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Schweizerische Agentur für Energieeffizienz Swiss Agency for Efficient Energy Use MOTOR SUMMIT 2012 Rasche Markttransformation für effiziente elektrische Antriebssysteme 4. Internationaler Summit für energieeffiziente Antriebssysteme powered by S.A.F.E. Elektromotoren und Antriebssysteme in Industrie-, und Infrastrukturanlagen, zusammen mit Pumpen, Ventilatoren und Kompressoren in Gebäuden, sind für 45% des weltweiten elektrischen Energieverbrauchs verantwortlich. Neue und bereits vorhandene Technologien haben das Potenzial, den Energiebedarf von Antriebssystemen in der globalen Wirtschaft, bei kurzen Payback-Zeiten, um 20 % bis 30 % zu verringern, wenn Markthindernisse überwunden werden können. Die Schweizerische Agentur für Energieeffizienz (S.A.F.E), in Zusammenarbeit mit dem Electric Motor Systems Annex (EMSA) von dem Programm der Internationalen Energieagentur Efficient Electrical End-Use Equipment (IEA-4E) und das nationale Programm EnergieSchweiz freuen sich den Motor Summit 2012 anzukündigen. Der Motor Summit 2012 bringt ausgewählte Experten aus Forschung, Bund und Kantonen, Energieversorgern, Motorenhersteller, Maschinenbauer, industrielle Anwender und andere interessierte Parteien zusammen. Es werden Strategien und Massnahmen zur Überwindung von Marktbarrieren diskutiert, die den weit verbreiteten Einsatz von hocheffizienten Antriebssystemen in der Schweiz und weltweit (Australien, Europäische Union, Japan, USA und anderen Ländern) behindern. Konferenzüberblick Dienstag 4.12. Mittwoch 5.12. Donnerstag 6.12. EMSA Workshops* MS’12 International Day MS’12 Schweizer Tag englisch englisch deutsch Policy Vormittag Motor Tools Testing Vormittag Mittagessen Nachmittag Nachmittag MS’12 Dinner *Platzzahl beschränkt Titelblaetter_d.indd 1 11/28/2012 3:43:07 PM Datum Veranstaltungsort Konferenz am 5. und 6. Dezember 2012, EMSA Workshops: 4. Dezember 2012. Zentrum Glockenhof, Sihlstrasse 33, CH-8001 Zürich +41 (0)44 225 93 93 Unterkunft Organisation Schweizerische Agentur für Energieeffizienz (S.A.F.E.), www.energieeffizienz.ch Machen Sie Ihre Reservation selber direkt bei einem der vier Tagungshotels bis am 1. November 2012. Bitte erwähnen Sie «Motor Summit» um vom Gruppenrabatt zu profitieren. [email protected] [email protected] [email protected] [email protected] Tel +41 (0)44 226 30 70 Hotel Glockenhof, ****, Sihlstrasse 31, CH-8001 Zürich +41 (0)44 225 91 91, [email protected], www.glockenhof.ch Veranstalter Leoneck Hotel, ***, Leonhardstrasse 1, CH-8001 Zürich Tel. +41 (0) 44 254 22 22, [email protected], www.leoneck.ch S.A.F.E. (Organisation) Topmotors 4E Electric Motor Systems Annex EMSA EnergieSchweiz Hotel Seidenhof, ***, Sihlstrasse 9, CH-8001 Zürich +41 (0)44 228 75 00, [email protected], www.seidenhof.ch Hotel Limmathof, ***, Limmatquai 142, CH-8001 Zürich Tel. +41 (0) 44 267 60 40, [email protected], www.limmathof.com Partner EKZ Elektrizitätswerke des Kantons Zürich EnAW Energie-Agentur der Wirtschaft Faktor Verlag AG Öbu Netzwerk für nachhaltiges Wirt schaften ProKlima SEMA SVK Schweizerischer Verein für Kältetechnik swisscleantech Swissmem swissT.net Swiss Technology Network Sponsoren BFE Bundesamt für Energie AWEL Amt für Abfall, Wasser, Energie und Luft Baudirektion Kanton Zug EKZ Elektrizitätswerke des Kantons Zürich NEMA National Electrical Manufacturers Association S.A.F.E. Teilnahmegebühr (Konferenzdokumentation inbegriffen): Gesamte Konferenzteilnahme für 5. & 6. Dezember, EMSA Workshops am 4. Dezember (inklusive Mittagessen jeden Tag, MS’12 Dinner am 5. Dezember und Aperitif am 6. Dezember Teilnahme 5. Dezember 2012, International Strategy day, (inkl. Mittagessen, ohne MS’12 Dinner) Teilnahme 6. Dezember, Umsetzungstag Schweiz (inkl. Mittagessen und Apéro) Teilnahme EMSA Workshops am 4. Dezember (inkl. Mittagessen) Teilnahme MS’12 Dinner am 5. Dezember CHF Euro 480 400 300 250 300 250 60 50 75 60 Mitglieder von EMSA, S.A.F.E., ProKlima, Öbu, SEMA, SVK, swisscleantech, Swissmem und SwissT.net, erhalten einen Rabatt von 20 %. Profitieren Sie von 20 % Frühbucherrabatt mit der Anmeldung und Bezahlung bis 1. September 2012. Zahlung: Sie erhalten die Zahlungsinstruktionen nach Ihrer Anmeldung. Aussteller ebm-papst AG ABB Schweiz AG Konferenzregistrierung www.motorsummit.ch Dokumentation Eine Tagungsdokumentation mit den Zusammenfassungen aller Beiträge wird allen Teilnehmern unmittelbar vor der Veranstaltung abgegeben. Die Präsentationen und andere relevante Unterlagen werden nach der Veranstaltung für alle Teilnehmer unter www.motorsummit.ch öffentlich zugänglich gemacht. Schweizerische Agentur für Energieeffizienz www.energieeffizienz.ch Titelblaetter_d.indd 2 11/28/2012 3:43:08 PM Welcome to the Motor Summit 2012 We welcome you to the fourth Motor Summit in Zurich. It has become a rule to have EEMODS (Energy Efficiency in Motor Driven Systems) and the Motor Summit in smaller format in Switzerland in alternating years. The scope of the Motor Summit has remained since the first such event in 2007, but technological development and new policies for implementation have changed a great deal. We are sure that our more than 175 participants from 23 countries will enjoy intensive and useful three days. We would like to thank all partners, exhibitors and sponsors. We thank the SwissEnergy program for supporting the Swiss motor implementation program Topmotors and its contribution to the Motor Summit. We enjoy the global partnership with 4E EMSA which gives an excellent occasion to host specific workshops open to an interested public. This year "Policy", "Testing" and a training session for the Motor Systems Tool will hold their sessions at the Motor Summit. You are all invited to join the Global Motor Systems Network by subscribing to our newsletter at www.motorsystems.org (English, German, Russian, Japanese and Chinese). We wish you interesting days in Zurich and hopefully also a view of the city, the lake and the snow covered mountains that surround this beautiful place. See you at the next EEMODS in Rio de Janeiro, Brazil, in October 2013. Willkommen zum Motor Summit 2012 Es ist schon fast zur Regel geworden, dass in einem Jahr EEMODS (Energy Efficiency in Motor Driven Systems) und im Jahr danach der Motor Summit in Zürich in einem kleineren Format stattfindet. Seit der ersten Austragung 2007 hat sich die Aufgabe zur Einsparung von elektrischer Energie bei Antriebssystemen nicht geändert, aber die technologische Entwicklung und die Möglichkeiten der Umsetzungspolitik haben sich stark verändert. Wir sind sicher, dass die mehr als 175 Teilnehmer aus 23 Ländern drei interessante Tage in Zürich verbringen werden. Wir danken allen Partnern, Ausstellern und Sponsoren. Wir danken EnergieSchweiz für die Unterstützung des Schweizer Umsetzungsprogramms Topmotors und den Motor Summit. Wir freuen uns über die globale Partnerschaft mit 4E EMSA, das uns eine gute Gelegenheit gibt, interessante Workshops für ein Fachpublikum anzubieten. Dieses Jahr stehen "Policy", "Testing" und ein Trainingsprogramm für das Motor Systems Tool auf der Agenda. Sie sind alle eingeladen, sich am Global Motor Systems Network zu beteiligen, indem Sie sich auf www.topmotors.ch (deutsch/französisch) oder www.motorsystems.org (englisch, russisch, chinesisch und japanisch) für den Newsletter abonnieren. Wir wünschen Ihnen schöne Tage in Zürich und hoffentlich auch einen Blick in die Stadt, auf den See oder die schneebedeckten Berge rundherum. Auf Wiedersehen an der nächsten EEMODS in Rio de Janeiro, Brasilien, im Oktober 2013. Das Motor Summit Team Conrad U. Brunner Rita Werle Bea Meyer 1 Rolf Tieben MOTOR SUMMIT 2012 EMSA Workshops, Tuesday 4 December 2012 Time Topic 08:00 Registration, coffee Speaker Policy Chair: Rita Werle 08:30 Intro: Importance of motor policy Rita Werle, 4E EMSA, Switzerland 08:45 EMSA Global Road Map Konstantin Kulterer, Austrian Energy Agency, Austria 09:05 NEMA’s verification testing program Bill Hoyt, National Electrical Manufacturers Association, USA 09:25 Motor market overview Alex Chausovsky, IMS Research, USA 09:45 Break 10:00 Energy management in industry Vida Rozite, International Energy Agency, France 10:20 Energy management systems Heinz-Jochen Poremski, Federal Ministry for the Environment, Nature Conservation and Nuclear Safety, Germany 10:40 IIP: efficiency practices for industry Murat Mirata, Institute for Industrial Productivity, Sweden 11:00 Discussion & conclusions Rita Werle, 4E EMSA, Switzerland 11:30 End Motor Tools Chair: Sandie B. Nielsen 12:00 Motor Systems Tool: intro & demonstration Sandie B. Nielsen, Danish Technological Institute, Denmark 13:00 Training session Sandie B. Nielsen, Danish Technological Institute, Denmark 16:00 End Testing Chair: Hugh Falkner 14:30 Registration 14:35 Introduction to EMSA «Testing Centres» 14:40 Martin Doppelbauer, Karlsruhe Institute of Update on: IEC 60034-2-1 testing in-line fed motors Technology, Germany IEC 600034-30-1 efficiency classification of motors 15:00 Update on: IEC 60034-2-3 testing of converter-fed motors 15:20 Power supplies for induction machine Andrew Baghurst, CalTest, Australia efficiency testing Measuring slip: demonstration of accurate measurement techniques 16:10 Break 16:30 Swiss and Australia research collaboration: Roland Wetter, EPF-L, Switzerland testing motor and VSD combinations Andrew Baghurst, CalTest, Australia 16:40 Discussion, Summary 17:30 End Hugh Falkner, for Department of Climate Change and Energy Efficiency, Australia Pierre Angers, Hydro Quebec, Canada Hugh Falkner, for Department of Climate Change and Energy Efficiency, Australia 2 MOTOR SUMMIT 2012 International Strategy, Wednesday 5 December 2012 Time Topic 08:30 Registration, coffee Speaker Introduction Chair: Conrad U. Brunner 09:00 Welcome & Overview Conrad U. Brunner, 4E EMSA, Switzerland 09:30 Energy strategy 2050 Walter Steinmann, Swiss Federal Office of Energy, Switzerland 09:50 Ecodesign – next steps Marcos González Álvarez, European Commission, DG Energy, Belgium 10:10 Coffee Policy & Programs Chair: Conrad U. Brunner 10:30 Motor standards and check-testing Andrew Baghurst, CalTest, Australia 10:50 New motor systems efficiency policy for China Zhao Yuejin, CNIS, China P.R. 11:10 Experience with IE3 motors in the US market Rob Boteler, NIDEC/NEMA, USA 11:30 Japan’s new motor standards and the Top Takeshi Obata, Hitachi, Japan Runner Scheme 11:50 Motor Systems Tool for optimal system design 12:10 Lunch Sandie B. Nielsen, Danish Technological Institute, Denmark Standards Chair: Vida Rozite 13:30 IEC motor efficiency classes between IE1 and IE5 Martin Doppelbauer, Karlsruhe Institute of Technology, Germany 13:50 Extended product approach for fan and pump systems Hugh Falkner, Atkins, UK 14:10 Recent developments in VFD efficiency testing Pierre Angers, Hydro Quebec, Canada 14:30 ISO 50001 Energy Management Standard Maarten van Werkhoven, TPA consultants, Netherlands 14:50 Coffee New Technology Chair: Vida Rozite 15:10 Beyond IE4 John Petro, NovaTorque Inc., Sunnyvale CA, USA 15:30 Beyond induction motors Anibal de Almeida, University of Coimbra, Portugal 15:50 Experience with PM motors Carlos Eduardo G. Martins, WEG, Brazil 16:10 High efficiency with synchronous reluctance motors Ari Tammi, ABB Ltd., Finland Initiatives Chair: Vida Rozite 16:30 SEAD Global Efficiency Medal competition for electric motors Sanaée Iyama, Lawrence Berkeley National Laboratory, USA Panel Discussion Chair: Conrad U. Brunner 16:50 Panel discussion 17:30 End 19:00 MS’12 Dinner (for registered guests) 3 MOTOR SUMMIT 2012 Umsetzung Schweiz, Donnerstag, 6. Dezember 2012 Zeit Thema 08:30 Registrierung, Kaffee und Gipfeli Vortragende Einführung Moderator: Conrad U. Brunner 09:00 Begrüssung und Einführung Conrad U. Brunner, S.A.F.E., Zürich 09:30 Schweizer Effizienzpolitik nach Fukushima Daniel Büchel, BFE, Bern 09:50 Erneuern – aber richtig! Sonja Studer, Swissmem, Zürich 10:10 Kaffeepause Normen und Chancen Moderator: Conrad U. Brunner 10:30 Gesetzliche Anforderungen an elektrische Antriebe Fabrice Bugnon, BFE, Bern 10:50 Bedeutung von Energieeffizienz und Managementsystemen Heinz-Jochen Poremski, BMU Referat Energieeffizienz, Berlin, Deutschland Anwendungen Moderator: Conrad U. Brunner 11:10 Bessere Antriebssysteme Rolf Gloor, Gloor Engineering, Sufers 11:30 FU: Potentiale heben, Fallstricke vermeiden Michael Burghardt, Danfoss, Offenbach Deutschland 11:50 Effizientere Druckluft 12:10 Lunch Jakob Spillmann, KAESER Kompressoren AG, Regensdorf Anwendungen Moderator: Roland Brüniger 13:30 Bessere Pumpen Thomas Staubli, HSLU, Luzern 13:50 Effiziente Luftförderung Heinrich Huber, Minergie Agentur Bau und FHNW, Muttenz 14:10 Bessere Kälte Raymond Burri, Wettstein AG/SVK, Gümligen Programm EASY Moderator: Roland Brüniger 14:30 Förderprogramm Easy Rita Werle, S.A.F.E., Zürich 14:50 Mesurages et économies (Französisch) Nicolas Macabrey, Planair, La Sagne 15:10 Antriebe messen vor Ort Rolf Tieben, S.A.F.E. Zürich 15:30 Kaffeepause Tools und Strategien Moderator: Roland Brüniger 15:50 klima:aktiv Energieaudits für Motorsysteme Konstantin Kulterer, Österreichische Energieagentur, Wien Österreich 16:10 Migros Klima- und Energiestrategie 2020 Urs Berger, MGB, Zürich 16:30 Effiziente Lösungen durch Effizienz netzwerke verdoppeln Eberhard Jochem, ISI Fraunhofer Gesellschaft, Karlsruhe Deutschland 16:50 Cleantech – Schub für die Industrie Nick Beglinger, swisscleantech, Schweiz Podiumsdiskussion Moderator: Conrad U. Brunner 17:10 Podiumsdiskussion 18:00 Apéro im Zentrum Glockenhaus 4 Motor Summit 2012 Participants Name First name Institution E-mail Country Aarniovuori Lassi Lappeenranta University [email protected] Finland Albig Jürgen Ziehl-Abegg [email protected] Germany Algoet Elewijn Howest [email protected] Belgium Altindag Sinan Gamak [email protected] Turkey Angers Pierre Hydro Quebec [email protected] Canada Australia Baghurst Andrew CalTest [email protected] Bailly Estelle EDF [email protected] France Beglinger Nick swisscleantech [email protected] Switzerland Berge Gerhard KSB [email protected] Germany Berger Silvia S.A.F.E. [email protected] Switzerland Berger Urs Migros [email protected] Switzerland Bertocchi Danilo Swiss Coaching [email protected] Switzerland Switzerland Betschmann Oskar Ziehl-Abegg [email protected] Bieri Hans Bieri Motoren [email protected] Switzerland Blauenstein Andrin ABB [email protected] Switzerland Bonn Peter Sulzer [email protected] Germany Bösch Volkmar Essenzis [email protected] Germany Bosga Sjoerd ABB [email protected] Sweden Boteler Rob Nidec [email protected] USA Brägger Stefan Stadtwerk Winterthur [email protected] Switzerland Brennan Terry NRCan [email protected] Canada Broger Hans-Peter ewz [email protected] Switzerland Bruder Markus Control Techniques [email protected] Switzerland Brüniger Roland R. Brüniger AG [email protected] Switzerland Brunner Conrad U. S.A.F.E. [email protected] Switzerland Büchel Daniel BFE [email protected] Switzerland Bugnon Fabrice BFE [email protected] Switzerland Burghardt Michael Danfoss [email protected] Germany Burri Raymond Wettstein Kältetechnik [email protected] Switzerland Chausovsky Alex IMS Research [email protected] USA Christensen Morten Grundfos [email protected] Denmark Chun Yon-Do KERI [email protected] South Korea Colotti Alberto ZHAW [email protected] Switzerland de Almeida Anibal T. University of Coimbra [email protected] Portugal de Ruvo Pierre IEC [email protected] Switzerland Defreyne Pieter Howest [email protected] Belgium Delaney Dan Regal Beloit [email protected] USA Dereyne Steve Howest [email protected] Belgium Doppelbauer Martin KIT [email protected] Germany Eberle Armin EnAW [email protected] Switzerland Eckert Christian Control Techniques [email protected] Switzerland Egger Otto ATB [email protected] Austria Ehrismann Marcus Control Techniques [email protected] Switzerland Eichenberger Willy EE AG Hinwil [email protected] Switzerland Eiger Edmond IWB [email protected] Switzerland Ennenbach Frank Sulzer [email protected] Germany Erismann Manfred IBA [email protected] Switzerland Fabri Giuseppe University of L'Aquila [email protected] Italy Falkner Hugh Atkins [email protected] UK Fischer Wolfgang Rockwell Automation [email protected] Switzerland Flurschütz Heiko KSB [email protected] Switzerland Frei Marcel W. Frei [email protected] Switzerland Frey Felix BFE [email protected] Switzerland G. Martins Carlos Eduardo WEG [email protected] Brazil 5 Motor Summit 2012 Participants Name First name Institution E-mail Country Geuken Jörg ATB [email protected] Germany Gino Michael AuCom Electronics [email protected] New Zealand Gloor Rolf Gloor Engineering [email protected] Switzerland Golomb Joachim Switzerland ABB [email protected] Gonzalez Alvarez Marcos European Commission [email protected] Spain Grab Roland Abicht [email protected] Switzerland Graf Andreas Control Techniques [email protected] Switzerland Gyger Peter Biral [email protected] Switzerland Hagemann Björn SEW [email protected] Germany Hallberg Anders Swedish Energy Agency [email protected] Sweden Haller Michael ABB [email protected] Switzerland Hansen Robert Bork Grundfos [email protected] Denmark Hartmeier Werner Rieter [email protected] Switzerland Hillinger Robert Rockwell Automation [email protected] Switzerland Hofstetter Tobias E2 concept [email protected] Switzerland Hoyt William NEMA [email protected] USA Hu Bo Top10 China [email protected] China P.R. Hubacher Christoph Haag Antriebstechnik [email protected] Switzerland Huber Heinrich FHNW [email protected] Switzerland Hubler Roland ABB [email protected] Switzerland Hüsser Daniel Zitt [email protected] Switzerland Iyama Sanaee Lawrence Berkeley Lab [email protected] USA Denmark Jensen Rasmus O. Grundfos [email protected] Jochem Eberhard Fraunhofer-Institut ISI [email protected] Germany Kammermann Stefan HTW Chur [email protected] Switzerland Kang Byung-Guk KTL [email protected] South Korea Keller Christoph K. Aveniture [email protected] Germany Kern Rolf EBM [email protected] Switzerland Kim Dong-Jun KERI [email protected] South Korea Kindlimann Thomas Holcim [email protected] Switzerland Kleissler Rolf Gebrüder Meier [email protected] Switzerland Kohno Satoshi Orientalmotor [email protected] Germany Kolb Bernhard Antriebe Rüti [email protected] Switzerland Germany Könen Michael KSB [email protected] Koo Dae-Hyun KERI [email protected] South Korea Kriese Michael Lenze [email protected] Germany Krückel Jan ABB [email protected] Switzerland Kulterer Konstantin Austrian Energy Agency [email protected] Austria Kummer Michael Küffer Elektro-Technik [email protected] Switzerland Langenegger Fritz Bühler [email protected] Switzerland Lassal Said Rockwell Automation [email protected] Switzerland Leumann Christof Leumann & Uhlmann [email protected] Switzerland Li Xiuying SEARI [email protected] China P.R. Liberto Sandro Rockwell Automation [email protected] Switzerland Lindegger Markus Hochschule Luzern [email protected] Switzerland Liu Wenqiang MIIT [email protected] China P.R. Lockwood Geoff ebm-papst [email protected] UK Loeliger Peter InterDrive [email protected] Switzerland Losch Wolfgang Pfeiffer Vacuum [email protected] Germany Macabrey Nicolas Planair [email protected] Switzerland Mauchle Peter Schnyder Ingenieure AG [email protected] Switzerland Meyer Andreas Rockwell Automation [email protected] Switzerland Meyer Bea S.A.F.E. [email protected] Switzerland Mieslinger Christian Danfoss [email protected] Germany 6 Motor Summit 2012 Participants Name First name Institution E-mail Country Mirata Murat IIP [email protected] Sweden Moebus Sandra HSR - WERZ [email protected] Switzerland Mori Aldo Gebrüder Meier [email protected] Switzerland Moser Michael BFE [email protected] Switzerland Moura Guedes Rui WEG [email protected] Portugal Muller Frédéric Leroy-Somer [email protected] Switzerland Müller Ernst A. InfraWatt [email protected] Switzerland Nielsen Sandie B. DTI [email protected] Denmark Nipkow Jürg S.A.F.E. [email protected] Switzerland Nording Stefan Swedish Energy Agency [email protected] Sweden Ochsner Marcel IBA [email protected] Switzerland Odermatt Daniel Synthes Gmbh [email protected] Switzerland Petro John NovaTorque [email protected] USA Poremski Heinz-Jochen BMU Deutschland [email protected] Germany Poulsen Preben Grundfos [email protected] Denmark Protas Erich Watt Drive [email protected] Austria Rath Ursula Consiste [email protected] Germany Rietvelt Michael Yokogawa [email protected] The Netherlands Ris Daniel Schibli [email protected] Switzerland Röllin Peter Volta [email protected] Switzerland Rozite Vida IEA [email protected] France Sadouk Abder Lafert [email protected] UK Schafer Gabriel Groupe E [email protected] Switzerland Schneeberger Werner ebm-papst [email protected] Switzerland Schuch Dieter Franklin Electric [email protected] Germany Schultheiss Martin Elektron [email protected] Switzerland Sigloch Uwe ebm-papst [email protected] Germany Belgium Sivitos Stamatis ECOS [email protected] Sommer Peter SBB [email protected] Switzerland Sommer Robin Arnold Magnetics [email protected] Switzerland Switzerland Spillmann Jakob Kaeser Kompressoren [email protected] Staub Karl Schunk [email protected] Switzerland Staubli Thomas Hochschule Luzern [email protected] Switzerland Switzerland Staudacher Christian Staudacher [email protected] Steinbauer Alice SQS [email protected] Switzerland Steinemann Urs Ing US [email protected] Switzerland Steinmann Walter BFE [email protected] Switzerland Steins Dieter [email protected] Germany Strebel Roger IBA [email protected] Switzerland Studer Heinz Rieter [email protected] Switzerland Studer Sonja Swissmem [email protected] Switzerland Suranyi Andreas ABB [email protected] Switzerland Takeshi Obata Hitachi [email protected] Japan Tammi Ari ABB [email protected] Finland Teepe Markus Wilo [email protected] Germany Theiler Walter Migros [email protected] Switzerland Tieben Rolf S.A.F.E. [email protected] Switzerland Tolvanen Jukka ABB [email protected] Finland Tsai Hsiu An MIRDC [email protected] Taiwan Väänänen Hannu ABB [email protected] Finland van Werkhoven Maarten TPA Adviseurs [email protected] The Netherlands Varga Márton Energie Zukunft Schweiz [email protected] Switzerland Verdegaal Joke Eicher & Pauli [email protected] Vogelsang Christian Vogelsang Elektromotoren [email protected] 7 Switzerland Germany Motor Summit 2012 Participants Name First name Institution E-mail Country Vontavon Philipp Credimex [email protected] Switzerland Vonwyl Marcel Belimo [email protected] Switzerland Wang Michelle ICA [email protected] China P.R. Wehrli Ferdinand Hidrostal [email protected] Switzerland Wenger Ronald ABB [email protected] Switzerland Switzerland Werle Rita S.A.F.E. [email protected] Wetter Roland EPFL [email protected] Switzerland Wezenberg Gerhardus ATB [email protected] Switzerland Wilde Kevin SIG [email protected] Switzerland Wolfisberg Erich Antriebe Rüti [email protected] Switzerland Wyss Sven Staveb [email protected] Switzerland Yen Hung-Cheng ITRI [email protected] Taiwan Taiwan Yen Sheng-Chan MIRDC [email protected] You Yong SINA [email protected] China P.R. Zhao David ICA [email protected] China P.R. Zhao Yuejin CNIS [email protected] China P.R. Züst Rainer Züst Engineering [email protected] Switzerland 8 4 December 2012 EMSA Workshops 9 Motor Summit 2012 Zurich, Switzerland Road Map to a consistent motor policy Konstantin Kulterer Austrian Energy Agency Mariahilfer Str. 136 e-mail [email protected] Recommendations so far A good electric motor systems policy scheme includes a combination of three major instruments: 1. National mandatory Minimum Energy Performance Standards for motors and motor systems (pumps, fans, compressors). MEPS should be introduced based on international methods of test with a specified timeline and the minimum requirements progressively tightened. Regular reviews of MEPS levels are necessary to keep pace with technological development. Compliance with MEPS needs to be monitored, verified and – in the case of non-compliance - sanctioned. 2. Information, training and capacity building: 3. • Implement energy management (top-down) and energy audit (bottom-up) schemes with focus on motor systems, efficiency-oriented planning process for new and existing installations, yearly monitoring of electricity consumption per production unit and value, efficiency target setting based on benchmarking of efficient technologies (pumps, fans, compressors). The implementation of such schemes can be enhanced by national policies making them either mandatory or voluntary (in exchange for certain benefits). • Training of experts. Produce guides and tools (e.g. EMSA’s Motor Systems Tool, decision making tools) for on-site analysis and testing, life cycle cost assessment, investment planning and realization for improved motor systems aimed at installers, planners and maintenance engineers. Financial incentives. Investments in improving old, inefficient, oversized industrial installations are hindered because of reluctance to intervene in the production process, fear of new, unproven technology and the considerable efforts (both in terms of costs and time) for assessing savings potentials of complex motor systems. Financial incentives can help to overcome these barriers and also to direct the attention of industrial plant managers to often untapped efficiency potentials in motor systems. All instruments need to be embedded coherently into national and international energy policy frameworks. EMSA Workplan EMSA will design and propose a global roadmap for exploiting efficiency potentials - consisting of mandatory, voluntary and financial measures as well as procedures for monitoring and compliance. This work will benefit of several sources of information: current research conducted by EMSA members, especially the Motor Policy Guide Part I Review of existing policies and the work done for the 10 Motor Summit 2012, Zurich, Switzerland IEA by IEA 4E members (Brunner, Waide 2011, Holt, Falkner, 2011); Information generated in the Tasks Building SEAD EMSA bridge and International Standardization; continued monitoring of policy developments in key regions (EU, China, India, Japan, Australia, USA) and direct experience in national motor policy programmes in Austria, USA and Switzerland; The work will be structured in three steps o First part will be the definition of efficiency motor system policy elements (e.g. MEPS, Labelling, and so on), and an overview table which countries (as examples) have already implemented these policies. In addition a product life cycle model (e.g. policies on motor level, policies during the installation, use phase, repair and scrapping) will be used to structure the policies and identify gaps where additional policies are needed. This work will be done in discussion and/or workshops for defining those issues. o Second part will be the detailed elaboration of the policy groups or specific policy measures by EMSA members. o Third part will be the elaboration of detailed policy map integrating all results defining priorities. Those results will be discussed in internationally workshops. Motor Lifecycle Policy Measures Examples Motor Manufacturing Standards (inc. labeling) IEC, ISO MEPS EU, US, CN, AU Product Registration AU, US, CN Compliance (Monitoring, Verification and Enforcement) AU, US, EU Testing AU, CN,US Others (International Initiatives, incl. contests) G8, IEA, SEAD, EMSA Information: Guidelines for planning, LCC, Databases, Awareness raising US, AT, CH, SE Financial Incentives CH, US, AT, UK, CN Energy Management, Energy Auditing, Saving Calculation NL, AT, SE, IEA, Dk, US Replacement, Motor Rewinding Brazil, US, CN Machine Building (OEM) Entry into market Motor /Equipment purchase Installation Use End of Life Table 1 Policy Instruments to be elaborated in the Roadmap, EMSA 11 Motor Summit 2012 Zurich, Switzerland Industrial Motors – A Global Market Update Alex Chausovsky IMS Research (now part of IHS) 3301 Northland Drive, Suite 400 Austin, TX 78731 [email protected] Industrial Markets Steadily Shifting to Higher Efficiency Motors After bouncing back from the global economic recession with two years of healthy growth, the low voltage integral horsepower motors market reached a value of $15 billion in 2011, with nearly 50 million motors shipped during the year. Although the market’s performance slowed notably in 2012 due to the weak global economic environment, with unit growth substantially lagging that of previous years, a continuing shift towards more efficient and more expensive motors continues to provide plenty of fuel for current and future revenue growth. In 2010, IE1 (Standard Efficiency) motors accounted for approximately 55% of the market’s revenues. These products were mainly sold in the European, Asian and Latin American markets. IE2 (High Efficiency) motors represented about 31% of market revenues during the year, with the main market for these machines being in North America. IE3 (Premium Efficiency) motors accounted for about 3% of global revenues, while motors meeting the expected IE4 efficiency requirements represented approximately 1% of the total market revenues. Motors that fall outside any MEPS accounted for another 6% of market revenues during the year, while DC motors comprised the remaining 4%. The efficiency breakdown of the low voltage motors market is expected to look very different by 2015, with IE1 motors comprising less than 10% of total revenues, while the IE2 and IE3 motors are expected to make up the majority of the market with respective shares of 59% and 20% (Fig 1). Although sales of motors that utilize rare earth-based permanent magnets are expected to grow faster than the overall market, cost and supply concerns are expected to persist, and these motors are still expected to account for less than 5% of the market by 2015. Figure 1: The World Market for Low Voltage Motors by Efficiency Class, source IMS Research 12 Motor Summit 2012, Zurich, Switzerland One of the biggest developments in the motor efficiency landscape during 2012 has been the recent enactment of new MEPS (Minimum Efficiency Performance Standards) for low voltage motors in China. As of September of this year, the Chinese government is requiring that most of the industrial motors sold in the country have at least an IE2 efficiency rating. China is by far the largest individual country market for low voltage motors, accounting for an estimated 21.5% of revenues and 29% of units in 2010. Growth of the Chinese market has been remarkable over the past few years, and while it is expected to slow substantially in the future, it is still projected to outperform the global market over the long term. This bodes well for the replacement of a vast number of low efficiency motors that comprise the majority of the Chinese motor install base. In addition to the Chinese market, ongoing implementation of motor MEPS requiring the IE2 efficiency level in the Eurozone will also contribute substantially to the market shift from IE1 to IE2 machines. The EU member countries accounted for approximately 23.1% of total market revenues in 2011, a slightly higher percentage of the global market as that comprised by China. In addition to the requirement for IE2 machines, the EU will further raise the MEPS to IE3 in 2015 (or alternatively require users to implement variable speed drives with their existing IE2 machines), starting with motors rated above 7.5kW, a segment of the market that represented about 5% of total units in 2011. The biggest impact, however, will occur in 2017, when motors below 7.5kW will also have to meet these requirements. 2010 Low Voltage Motors Market Regional Breakdown ($M) EU 23.1% China 21.5% Other 26.9% North America 22.3% South America 6.2% 13 Motor Summit 2012 Zurich, Switzerland Policies to stimulate the uptake of efficient motor systems – the role of energy management programmes Vida Rozite International Energy Agency 9, rue del la Fédération, Paris [email protected] Industrial energy use Industrial energy use accounts for roughly one-third of global final energy demand. Industrial energy consumption is projected to increase in line with growing demand for industrial products. There is significant potential to decrease energy consumption in this sector; however, opportunities to improve energy efficiency are still under-exploited. There are strong barriers to the implementation of costeffective energy efficiency measures, e.g., low priority and lack of interest from top management, lack of information and know-how, planning horizons, inadequate methods to calculate costs and benefits, and perceived risks including the perception that focus on energy will distract from core business processes.There is a strong case for government intervention to address barriers and create incentives for industries, as well as to ensure that enabling and supporting systems are in place. Electric motor driven systems Industry accounts more than 60% of global electric motor driven system electricity consumption. Electric motor systems consume about 70% of all electricity in the industrial sector and are widely used in all industrial applications to power; fans, pumps, compressors and mechanical movement applications such as conveyors and rollers. The adoption of more efficient electric motors leads to savings of a few percentage points compared to standard motor technology but much larger savings in the region of 20 – 40% compared to conventional solutions arise from optimising motor systems within 1 the process . In terms of improving the efficiency of motor systems, specific barriers include lack of capacity and knowledge on motor system optimisation both within companies and within service provision companies, limited awareness among purchasers, obstacles created by organisational structure, hurdle rates for investments and focus on initial costs rather than life-cycle costs. Towards efficient motor systems through energy management programmes Single policy instruments will not guarantee progress towards more efficient motor systems. Effectively stimulating the uptake of energy efficient motor systems requires ambitious market transformation packages. Such packages should include minimum energy performance requirements for motors, labeling schemes, and energy performance test procedures for motors and components. However, to capture energy savings potentials linked with improving systems, these policies need to be carried out in combination with supporting policy measures such as energy management programmes. Systematic energy management is one of the most effective approaches to improve energy efficiency in industries, because it equips companies with practices and procedures to continuously make improvements and capture new opportunities. Government energy management programmes and associated supporting measures and drivers have been shown to effectively address many of the barriers 2 to energy efficiency and stimulate energy management in industry . Effective energy management programmes are not stand-alone requirements for companies to utilise an energy management system. Rather they consist of a combination of elements that establish requirements, provide a support structure and incentives (see figure 1). Key success factors include ensuring that programmes are an integral part of broader policy frameworks and adapted to the specific needs of industry, establishing on-going dialogue with industry and other stakeholders. 1 Wade, P. and C. Brunner (2011), Energy-Efficiency Policy Opportunities for Electric Motor-Driven Systems. International Energy Agency. Energy Efficiency Series. Working Paper. IEA/OECD, Paris. 2 IEA/IIP (2012), Energy Management Programmes for Industry – Gaining through saving, IEA/OECD, Paris. 14 Motor Summit 2012, Zurich, Switzerland Figure 1 Elements of energy management programmes Source: Reinaud, Goldberg, Rozite (2012) in IEA/IIP (2012), Energy Management Programmes for Industry – Gaining through saving, IEA/OECD, Paris. Energy management programmes may stimulate the uptake of more efficient motor systems by improving industrial awareness of energy use, building capacity to identify savings opportunities including through systems optimisation and establishing routines and procedures for enabling investments in energy efficiency. However, to ensure that energy management programmes effectively contribute to market transformation, how to effectively stimulate the uptake of more efficient motor systems needs to be considered in the planning and design stage. Specific elements that could be included in energy management programmes include: dedicated awareness raising; training for company engineers, system designers, motor maintenance and service personnel; tools and guidance; provision of technical expertise and consultations; mandated or subsidised audits targeting motor systems; requirements to develop specific energy management plans for motor systems; and incentives or requirements for implementation. Benefits of integrated programmes While such supporting elements could be provided as stand-alone measures or instruments, there are clear benefits of integrating these measures in a comprehensive energy management programme linked with energy management systems that establish a framework for sustained focus on energy use and continuous energy efficiency improvements. Optimising motor systems is not a once-off activity, continual monitoring and adjustments are needed as production or processes change. Furthermore, motor system efficiency is dependent on operation and maintenance, if routines are not in place performance may be impacted by staff changes. Finally, companies need to focus on their core business and have limited time and resources to spend on improving energy efficiency. Dealing with numerous disparate short-term policy measures can be time consuming both for programme administrators and for industry. Integrated well-designed long-term programmes will help build up the capacity and skills needed for sustained progress towards efficient motor systems. 15 Motor Summit 2012 Zurich, Switzerland Efficiency Practices for Industry Murat Mirata Institute for Industrial Productivity [email protected] Overview of IIP The Institute for Industrial Productivity (IIP) is an independent non-profit organization dedicated to increasing industrial energy productivity by promoting the efficient use of energy in selected energyintensive industrial sectors. Initially focusing on China, India and the US and on energy intensive sectors – like iron and steel, cement, and chemicals – IIP gives governments and industries a global perspective on effective industrial energy efficiency options and works at national and local levels offering integrated services that include advice on technology and energy management systems, policy support, and options for financing industrial energy efficiency measures. IIP works to accelerate introduction of energy efficiency measures by following approaches: • • • • Sharing best practices Providing access to a network of international experts from diverse fields Developing original research, analysis and databases Working directly with policy and program designers and implementers to promote the strengthening of government policy to drive widespread deployment of energy efficiency IIP was established in 2010 and is funded by the ClimateWorks foundation, serving as its Best Practice Network partner for the industrial sector. Selected Highlights of IIP’s Regional and Global Work Examples of IIPs global and regional accomplishments in 2012, achieved in partnership with key international, national and local organizations, are summarized below: Geographic Foci Global China India Example Achievements in 2012 • Development of best practice databases on industrial energy efficiency (IEE) policies and programs, technologies and measures, financing approaches and supply chain initiatives; • Research on policy packages, energy efficiency support frameworks, and energy management programs in different countries; • Contributing to the efforts to develop a new Public Private Partnership to create a new market for industrial energy efficiency services through the banking system; • Supporting the development and implementation of energy management program pilots in Shanxi and Shandong provinces; • Provision of tools and resources to local industry to help implement effective energy management systems (EnMS) and energy systems optimization under top 10,000 program, including the establishment of expert groups, commissioning of best practice guidelines and case studies, and development of implementation tools for key industrial sectors. • Leading the efforts to create a pathway for increased use of alternative fuels and materials in the cement sector; • Development and diffusion of Assessment to Action (A2A) pre-energy pre-audit tool for ammonia industry; • Working with SME clusters on supply-chain greening, development of best practice guides, and technology saturation. • Supporting policy implementation and business investments in industrial CHP; • Development of decision-making tools and training materials on energy management practices; • Establishment of working groups for low-temperature waste heat recovery projects. United States Table 1: Selected Examples of IIP’s Achievements in 2012. 16 Motor Summit 2012, Zurich, Switzerland Industrial Energy Efficiency Databases In order to support government and industry decisions, IIP continually scans best practices in technology, policy, programs, financing and supply chains and compiles relevant information in a package of publicly available and free Industrial Efficiency Databases. The Industrial Efficiency Policy Database (IEPD) provides information on industrial energy efficiency and greenhouse gas mitigation polices across countries, together with a layered analysis connecting various policies, measures and policy implementation tools. This structure helps users to understand the mix and relationships in a total policy package that can be applied within and across various countries. The Industrial Efficiency Technology Database (IETD) delivers rich and relevant information about the latest and best available technologies, tools and energy management systems to facilitate the accelerated implementation of energy efficient and low-carbon technologies and practices in industry. Currently the IETD provides technology/measure descriptions, performance and cost information and additional resources for iron and steel, cement, and pulp and paper industries and as well as motor systems as a cross cutting area. Future Ambitions and Collaboration Opportunities At the global scale, one of IIP’s ambitions is to: • • expand the scope of the IETD by adding new sectors (e.g. chemicals, glass) and crosssectoral areas (steam system, CHP, lighting). enhancing the coverage, quality and accessibility of information provided. IIP would like to develop additional partnerships with international and national organizations as well as with relevant experts and expert networks – especially for motor systems, who can share, for example, more up-to-date, context- and country- specific performance cost data. IIP is also seeking to collect information on case studies, tools, methodologies and additional resources that it could post th on its freely accessible database. We are hoping that the 4 Motor Summit will serve as a fertile platform to identify new partnership opportunities and to plant the seeds of their development. Furthermore, IIP is highly interested to learn more about on-going and planned initiatives – in particular in or for China, India and the US – of other parties represented at the Summit and explore additional collaboration opportunities with those initiatives that are aligned with IIP’s objectives and country focus and to which IIP’s existing competences and networks can be of value. 17 Motor Summit 2012 Zurich, Switzerland Power Supplies for Motor Testing and Measurements Andrew H Baghurst CalTest PO Box 546, Port Elliot, South Australia 5212 [email protected] Introduction Good, reproducible measurements on rotating machines are dependent on a high quality power supply, the characteristics of which are specified in IEC 60034-1. Such power supplies are required to produce variable, closely balanced, low total harmonic distortion voltages with good regulation and high frequency stability. There are many ways of producing such supplies, and the following provides an overview of alternative supply types, including modern techniques which make use of electronic converter-type equipment. Mains derived supplies The simplest supplies for motor testing and measurements are those derived directly from the supply mains, with voltage variation achieved using either a continuously variable auto-transformer or an ‘induction regulator’, the latter constructed in a similar fashion to a wound-rotor induction machine, but with stator and rotor windings interconnected, with output voltage adjusted by varying the relative angular positions of rotor and stator. Because such adjustment requires less than a single turn (depending on the number of poles in the regulator) slip-rings are unnecessary, and may be replaced by flexible cables. Both of the above supply methods can benefit from additional ‘fine’ adjustment facilities which may take the form of a second variable auto transformer feeding the primary windings of auxiliary ‘buckboost’ transformers, which may be arranged either to inject voltages over a fixed absolute range, or a fixed percentage of the output from the main (‘coarse’) voltage source. Such supplies have the disadvantage, however, of being subject to network frequency variations, over which a laboratory has no control, and short-term voltage fluctuations, depending on load conditions in other parts of the network from which the supply is derived. Motor-generator systems Motor-alternator systems offer many advantages over mains-derived supplies: If a variable speed drive system is coupled to an alternator from which a testing supply is derived, frequency can be adjusted and held with much greater accuracy and stability than can be obtained directly from the mains supply: An essentially open loop speed controller can easily achieve frequency stability of better than 0.1%. and closed-loop prime-mover speed control, using shaft mounted encoder feedback can achieve stability which is at least an order of magnitude better again (0.01%). Further, voltage may be adjusted via alternator excitation (using a closed loop controller or ‘AVR’), and both voltage balance and total harmonic distortion can be very good. A motor-generator system has a number of additional, but less obvious advantages: If the ‘primemover’ is fed from a VFD system, the variable frequency which is then available from the alternator may be used not only as a very effective means of starting a motor under test, but also as a means of decelerating and stopping such a test motor, within the time periods specified in the relevant standard 18 Motor Summit 2012, Zurich, Switzerland (IEC 60034-1, Table 5), even if the motor under test is not coupled to a (mechanical) load of any kind, as in a no-load test. A disadvantage of the conventional ‘brushless’ alternator excitation system in common use, however, is that full excitation of the rotor of a main alternator is not possible at M-G set shaft speeds which are significantly lower than the rated value. This problem may be overcome by fitting slip-rings to the rotor of the main alternator, and bypassing the exciter. In this case, full rotor excitation (from an external DC supply) is possible even with the alternator at stand-still. A motor under test may then be started with the supply alternator rotor fully excited and the speed of its prime-mover gradually increased from zero to the value which provides the correct supply frequency to the test motor (usually 50 or 60 Hz). Note that under these conditions, the alternator produces an output with an essentially constant voltage to frequency (V/F) ratio, as required. Braking of a test motor is achieved by simply reducing the prime mover speed, in which case the kinetic energy of both machine sets may be ‘dumped’ into a suitable resistive braking system associated with the DC link in the converter supplying the primemover. Note also that the testing supply motor-generator set may also contain a third machine which can accept electrical power produced by the machine which is used to load the motor under test, thus ‘recycling’ the main testing power, in which case the prime-mover is required only to supply the losses in the two rotating systems. One example of such a system would be the incorporation of a DC shunt machine into the supply M-G set, the latter then electrically connected to a similar (DC) machine which is used to load the test motor, in the well-known ‘Ward-Leonard’ configuration. A final advantage of the M-G set as a power supply source is the availability, from the shaft encoder which forms part of the feedback speed control system, of a pulse train against which the frequency of a signal derived from a similar encoder connected to the test motor may be compared, for making precise measurements of slip in an induction machine under test. Converter-derived power supplies IEC TC2 Working Group 28 has recently produced a first draft edition of IEC TS 60034-2-3 (Rotating electrical machines – Part 2-3: Specific test methods for determining losses and efficiency of converter-fed AC induction motors). The essence of that specification is a method by which the losses incurred by a given motor operating on a ‘converter’ supply may be compared with the losses associated with operation on an essentially sinusoidal voltage supply. (Note that the converter has standardised ‘reference’ characteristics which are common to all such tests, but which are not necessarily those of any given commercially available converter). These considerations have given rise to the idea that it may be possible to develop and to describe, in the above Technical Specification, a ‘sine-filter’ similar to those which are currently available, which would effectively ‘demodulate’ the ‘raw’ PWM supply which is available from the ‘reference’ and other commercially available converters. Commercially available ‘sine filters’ usually employ one single-stage L-C filter network per phase, and even such a simple device produces an output voltage waveform with relatively low total harmonic distortion. Cascading two such filters, with perhaps the addition of ‘traps’, carefully tuned to the ‘carrier’ frequency could provide an excellent ‘sinusoidal’ power source, with the information sought by TS 60034-2-3 obtained simply by switching that filter in and out of circuit. The above suggests that a commercial converter, equipped with a ‘sine filter’, as described above, could make an excellent general motor testing power supply, with very low total harmonic distortion, good voltage balance and exceptionally stable frequency. A second converter, sharing the same DC bus, might control an induction loading machine, returning generated power to that bus, with the supply mains providing losses only, in a system analogous to the M-G system described above. 19 Motor Summit 2012 Zurich, Switzerland Induction Motor Slip Measurements Andrew H Baghurst CalTest PO Box 546, Port Elliot, South Australia 5212 [email protected] Introduction The ability to regulate induction motor efficiency can only be based on international standards which provide clear, unambiguous procedures for making and processing the appropriate measurements. Significant progress has been made recently by IEC TC2 Working Group 28 in re-drafting IEC standard 60034-2-1 (Rotating electrical machines – Part 2-1: Standard methods for determining losses and efficiency from tests (excluding machines for traction vehicles)), and the current draft edition now contains an informative Annex (C) on a suggested method for slip measurement, as explained below. The determination of induction machine slip is very important since induction motor rotor losses are directly proportional to that quantity. Previous standards have not provided information on how slip should be measured, and it was thought worthwhile to develop a measurement technique which is both straight-forward and amenable to automatic data acquisition, as traditional slip measurement methods using, for example, stroboscopic illumination of the shaft of the machine in question, are time-consuming and do not lend themselves to automatic data acquisition. Slip measurement The principle of the suggested method is a system in which the frequency of a pulse train, generated by a sequential shaft encoder connected directly to a motor under test, is compared with the frequency of a pulse train derived from a similar encoder (producing the same number of pulses per shaft revolution) driven at a speed whose relationship to the synchronous speed of the motor in question is precisely known. The principle of the measurement system is demonstrated using two small (0.12 kW) 3-phase motors, both arranged to run from a single-phase supply by the use of phase-shifting capacitors, and with one of those machines modified for synchronous operation. By milling four flat facets on the rotor of one of the (4 pole) machines, saliency has been produced, which generates sufficient reluctance torque to pull the otherwise induction-type machine into synchronism with the electrical supply. Both machines have been fitted with a hollow shaft sequential shaft encoder, and each of the encoders produces 600 pulses per revolution, a figure which not only provides very high resolution (towards two pulses per mechanical degree of shaft rotation), but a display on a suitable frequency counter from which the shaft speed in revolutions per minute is readily determined simply by shifting the decimal point. (E.g. a 4-pole motor running in synchronism with a 50 Hz supply runs at 25 revolutions per second, and the encoder output frequency is thus 25 x 600 = 15000 Hz, from which the true shaft speed, namely 1500 rpm, may be determined simply by shifting the decimal point one place to the left). Note that if a motor-generator set is used to provide an electrical supply for induction machine tests and measurements, the reference frequency pulse train may be obtained from a shaft encoder driven directly from the main shaft of that machine set. 20 Motor Summit 2012, Zurich, Switzerland Figure 1: Salient-pole rotor for the reference frequency generator, made by milling flats facets on the previously smooth cage-rotor. Note that bars forming the die-cast ‘squirrel cage’ are now clearly visible. Figure 2: Schematic circuit diagram showing how the two pulse trains are generated Slip may be determined by feeding the pulse trains generated by the two shaft encoders to the inputs of a dual-channel digital counter (e.g. Agilent Model 53132A), operating in frequency ratio mode, and with a gate time set at the same time interval (e.g. 5-10 s) over which all other motor operating parameters are averaged. The counter then displays the induction machine speed as a fraction of synchronous speed, from which slip is readily determined. Slip information obtained using the technique described above may be transferred directly from the counter to an automatic data logging system using any of the commonly used communication protocols, including GPIB, RS-232, USB etc. 21 22 5 December 2012 International Strategy 23 Motor Summit 2012, Zurich, Switzerland Efficient electric motors - efficient electric systems Conrad. U. Brunner A+B International Operating Agent of 4E EMSA Gessnerallee 38a, CH 8001 Zürich [email protected] Energy-efficient electric motors The global introduction of more efficient electric motors shows progress. The testing method in the revised IEC 60034-2-1 is clarified and defined as the Figure 1 Energy- efficient electric motors have a name: IE3 Premium Efficiency (Source: IEC 60034-30) "Preferred Method": Summation of losses with load test, stray load losses PLL determined from Residual Loss. Finally IE3-Premium Efficiency electric motors have arrived in the European Market and are also available in Switzerland. They are now clearly defined in the standard IEC 60034-30 for the range of 0.75 - 375 kW. Soon they will have a special label from IECEE (see Figure 1). 100 95 90 Efficiency [%] 85 IE4 - Super Premium Efficiency 50 Hz 80 IE3 - Premium Efficiency 50 Hz 75 70 IE2 - High Efficiency 50 Hz 65 60 IE1 - Standard Efficiency 50 Hz 55 50 0.1 Figure 2 1 10 100 Output power [kW] log scale 1000 Efficiency classes of 4-pole electric motors with 50 Hz (Source: Draft IEC 60034-30-1, 2012) From 2013 the newly revised Efficiency Classification in IEC 6003430-1 will also include motors from 0.12 kW to 1000 kW, with 2-, 4-, 6and 8-poles and will go up to the new efficiency class IE4 Super Premium Efficiency (see Figure 2). The classification will also cover new motor technologies as long as they are capable to run online. Most large motor manufacturers have now a complete range of IE3 motors available. Some of them are already able to deliver motors for pump and fan applications in advanced technologies with Permanent Magnet or Switched Reluctance motors with Super Premium Efficiency IE4. From voluntary to mandatory The market development in the USA, Australia and Canada shows that only minimum energy performance standards (MEPS) can quickly change the market share towards high efficient motors. The efficiency of electric motors needs to be driven by MEPS that require both the industries as a motor user and the industries as a motor manufacturer to agree on a set of mandatory constraints. Only with MEPS the life cycle cost consideration in industry can be made the economic method of decision making. Some countries have started to define a target- or reach-standard above the current MEPS that eventually will be the future MEPS. China has included in its revised standard GB 18613 three steps: IE2 mandatory now, IE3 in 2015 and IE4 as reach standard. In the US the discussion of a new IE4 standard has been launched by the Department of Energy and NEMA. 24 Motor Summit 2012, Zurich, Switzerland Efficiency Levels 3-phase induction motors Super Premium Efficiency Efficiency Classes IEC 60034-30-1 Global classes IE-Code 2008; rev. 2013 * IE4 Premium Efficiency IE3 High Efficiency IE2 Standard Efficiency IE1 30 September 2012, CUB A+B International Figure 3 *) Sizes 0.12 kW - 1000 kW, 50 and 60 Hz, line operated Testing Standard IEC 60034-2-1 incl. stray load losses 2007; rev. 2013 ** Preferred Method Performance Standard Mandatory MEPS **** National Policy Goal Summation of losses with load test: PLL determined from residual loss **) for 3-phase machines, rated output power < 1 MW ****) Minimum Energy Performance Standard Canada Mexico USA Europe*** 2015 / 2017 Australia Brazil China Europe South Korea New Zealand Switzerland Costa Rica Israel Taiwan bold means in effect ***) Europe (2015: below 7.5 kW), 2017, IE3 or IE2 + Variable Speed Drive The countries with current legal requirements for mandatory MEPS of electric motors are shown in Figure 3. Europe is currently in the process to move its requirement up from IE2 to IE3 in 2015. It has decided an interesting combination of "IE2 motors + Variable Frequency Drive" to be allowed instead of IE3. This ne combination has led the European Commission to give a mandate to the European standard makers to also include VFD in the concept of efficiency classification. List of countries with efficiency classes, testing standards and Minimum Energy Performance Standards (MEPS) (Source: A+B International, 2012) From Motor-Check to Systems-Check An electric motor is never a stand-alone. It is part of a sequence of mechanical and electrical components, built into an entire industrial process line. The European Ecodesign requirements now also include MEPS for the first group of applications like pumps and fans. In many cases industrial machines include an entire production line with hundreds of motors like in paper making or printing. Energy efficiency means to look at the entire motor system: • • Figure 4 Start with the demand side by reducing unnecessary loads and operating times, by optimizing the sizes of ducts and pipes, by reducing transported volume of fluids and gases, by carefully deciding on speed, necessary pressure and then to select state of the art pumps, fans, compressors, et cetera. Only then the design the supply side of the system with its mechanical (transmission, gear, brake and clutch) and its electrical components (motor and variable frequency drive) can be a successful application of modern technology. Motor System Tool (Source: EMSA, www.motorsystems.org) In order to make this decision making process for efficiency easier, EMSA has developed the Motor Systems Tool that can help to find the optimal combination of components more rapidly and to get higher total efficiencies. The introduction of VFDs has added to the complexity of testing the efficiencies of combinations of motors plus VFD. The Technical Specification to test efficiencies of motors driven by variable frequency drives is to be published in 2013 as IEC 60034-2-3. This standard makes the first step towards integral efficiency in the core motor system. The integration of entire electronically driven motor systems will then be defined later in the new IEC 61800-x. Energy Management The next level for industry to pursue energy efficiency is a factory wide Energy Management System, using the new ISO 50001 as a guideline for monitoring annual energy consumption, regular setting of efficiency targets and implementing improvement plans according to predefined life cycle cost standards. A qualified team with sufficient energy efficiency know-how right in the factory can harvest the efficiency potentials in electric motor systems we have been talking about for a long time. The key to a successful implementation of cost effective energy savings is the training of technical staff for energy efficiency and energy management and to give this team enough resources inside the factory. With this energy efficiency will become a strategic value for the industry. 25 Motor Summit 2012, Zurich, Switzerland Federal Department of the Environment, Transport, Energy and Communications DETEC Swiss Federal Office of Energy (SFOE) Keynote address Walter Steinmann Swiss Federal Office of Energy SFOE Mühlestrasse 4, CH-3063 Ittigen Postal address: CH-3003 Bern [email protected] www.bfe.admin.ch Swiss Energy Strategy 2050 − concept, status and next steps Summary In 2011 the Federal Council and Parliament decided in favour of a reorientation of Switzerland’s energy policy with the aim of guaranteeing long-term supply security following the decision not to construct any new nuclear power plants. In the context of its new Energy Strategy 2050, the Federal Council is focusing on energy efficiency, the development of hydropower and the use of new renewable energy, and, where necessary, on electricity production from fossil fuels (combined heat and power plants, gas cogeneration plants) and on electricity imports. It will also be necessary to expand Switzerland’s electricity networks without delay and to intensify energy research. Detailed information and reports on Energy Strategy 2050 are available from the following website: www.energystrategy2050.ch. First package of measures submitted for consultation In September 2012 the Federal Council submitted a first package of measures for consultation regarding the step-by-step reorganisation of Switzerland’s energy supply. The Federal Council aims to lower the per capita level of energy and electricity consumption, reduce the proportion of fossil energy and substitute nuclear electricity production by promoting energy efficiency and increasing the degree of use of renewable energy. The measures include faster and simpler licensing procedures and the modernisation and expansion of the country’s electricity networks. A variety of workgroups involving representatives from the cantons and municipalities, the economy, unions, the scientific community and environmental organisations participated in the formulation of the measures, the implementation of which will require a complete revision of the Energy Act and various other amendments to existing legislation. Parliament will be debating the measures in the second half of 2013, and the aim is for these to enter into effect as of 2015. Energy efficiency forms the core of the new policy. With its Energy Strategy 2050, the Federal Council intends to reduce energy and electricity consumption: the aim is to reduce the average level of energy consumption per person and year by 35 percent by 2035 versus the level recorded in 2000, and to stabilise electricity consumption from 2020 onwards. At the same time, increasing the use of renewable energy will be a priority: the goal is to increase the annual production from hydropower to at least 37,400 gigawatt hours by 2035, while production from other forms of renewable energy is to be increased to 11,940 gigawatt hours within the same timeframe. In Switzerland, annual expenditure on energy currently amounts to around 31 billion Swiss francs, with electricity accounting for around 9 billion. With the initial package of measures, it will be possible to reduce the consumption of, and expenditure on, fossil energy, as well as imports and dependency on supplies from abroad. In the case of electricity, the costs will increase due to the currently high costs of production from renewable energy sources, investments in the country’s networks and the slightly higher fees per average household. In order to relieve the burden on large-scale consumers, the Federal Council is proposing to exempt them from these fees. 1 26 Motor Summit 2012, Zurich, Switzerland Figure 1: New energy mix based on package of measures TWh 110 100 90 80 70 60 50 40 30 (c) Prognos 2012 20 Existing hydropower plants bestehende Wasserkraftwerke Existing fossilfossile fuel power bestehende KW plants New fossile gas cogeneration plants neue WKK New Kernkraftwerke nuclear power plants neue 10 0 2000 2005 2010 2015 New hydropower plants neue Wasserkraftwerke Existing nuclear power plants bestehende Kernkraftwerke Existing purchase rights bestehende Bezugsrechte New renewable energy sources* neue Erneuerbare* New imports neue Importe Existing renewable energy sources* bestehende Erneuerbare* New combined heat & power plants neue Kombikraftwerke Gross demand Bruttonachfrage 2020 2025 * coupled and uncoupled *) gekoppelt und ungekoppelt Figure 2: Composition of electricity supply based on package of measures 2030 2035 2040 2045 2050 Hydrological Hydrologisches Jahryear Second stage of Energy Strategy 2050 The Federal Council plans to initiate a second stage for the period after 2020 in which Switzerland’s climate and energy policies are to be jointly redefined. Here the aim is to gradually transform the existing system of subsidies into an incentive taxation mechanism. In this connection, the federal administration is currently examining the various options for an ecological tax reform. 27 Motor Summit 2012 Zurich, Switzerland Ecodesign – Next steps Marcos González Álvarez European Commission – Directorate General for Energy Rue de Mot 24, 1040 Brussels (Belgium) [email protected] Energy efficiency in products general policies Energy related products are responsible for about 30% of the total energy consumption in the European Union (EU). The setting of minimum requirement and the provision of information to consumers are widely recognised as powerful tools for improving the energy efficiency of products. The legislative framework concerning energy efficiency of products within the EU is based in two Directives: • Directive 2009/125/EC on ecodesign of energy related products establishes the framework for defining the rules for setting product specific requirements on energy efficiency and further parameters to products placed on the market or put into service within the European Economic Area (EEA). • Directive 2010/30/EU on energy labelling of energy related products defines the rules for setting requirements regarding standard information to be provided to consumers regarding the energy and other resources use of products. The use of these tools provides a common regulatory framework in all Member States, ensuring the free movement of goods in the internal market. It has been demonstrated that Ecodesing and Energy Labelling measures achieve a big impact on the market while at the same time keeping costs low and not creating excessive administrative burden neither to industry nor to national administrations. The process for adopting implementing measures under these Directives is a well-defined process where stakeholders have the right to participate and where Member States provide their input at different stages. The measures adopted so far will save 380 TWh per year in 2020. The products groups covered include a wide range of products. During the first phase of the implementation of these policies the products addressed were mainly used in households (lighting, domestic appliances, etc.).The second phase, covered under the Ecodesign Working Plan 2009-2011 included products used mainly in the industrial and tertiary sectors (machine tools, industrial furnaces, etc.). A new Ecodesign Working Plan is under discussion at the moment, it will expand the number of products analysed. Measures addressing motor driven systems According to the data gathered during the development of the “Methodology for Ecodesign of Energy Related Products – MEErP 2011”, in 2007, the electricity consumption in the EU was 2780 TWh, of this electricity consumption 49% was consumed by motor driven systems (pumps, fans, compressors and conveyors), i.e. 1360 TWh. According to the data gathered during the study, compressors are the main energy consumer among motor driven systems. Pumps fans and conveyors account for about 20% of the total electricity consumption of motor driven systems each. 28 Motor Summit 2012, Zurich, Switzerland Figure 1 Electricity consumption in Europe by use, MEErP 2011 Some of this products were analysed in several preparatory studies were it was demonstrated that an important energy saving potential existed and part of this potential could be addressed by the setting of minimum energy efficiency requirements. Some Regulations were issued as a result of the process. • Regulation 640/2009 established minimum energy efficiency requirements for electric motors with a rated power output between 0.75 and 375 kW. From June 2012 all motors placed on the market or put into service within the EEA need to have a minimum energy efficiency level of IE2 according to EN IEC 60034-30. Depending on the power output, from January 2015 or January 2017 all motors will need to be IE3 motors or be IE2 and incorporate a variable speed drive (VSD). It is estimated that this measure will save 135 TWh per year in 2020. • Regulation 641/2009 (amended by Regulation 622/2012) on circulators covers products with a rated hydraulic output between 1 and 2500 W. It takes into account part load efficiency for calculation the energy efficiency index of the product. It is estimated that the minimum requirements for circulators will save 23 TWh per year in 2020 • Regulation 327/2011 on fans cover fans with power input between 125 W and 500 kW, including those integrated in other energy related products, the savings achieved by this Regulation account for 34 TWh per year in 2020. • Regulation 547/2012 of pumps covers products with a maximum shaft power below 150 kW and will save 3 TWh per year in 2020. Next steps In March this year several preparatory studies were launched in order to cover products not addressed by previous implementing measures: Lot 30 will cover motors not covered by Regulation 640/2009, extending the scope of the previous preparatory study to motors with lower and higher nominal powers and motors with higher rated voltages. This trend in observed worldwide, as the scope of IEC 60034-30 has been widened and several countries are embarking themselves on the development of measures covering motors with higher power outputs and nominal voltages. Other lots will cover waste water pumps, pumps not covered by previous preparatory studies and compressors. 29 Motor Summit 2012 Zurich, Switzerland Motor standards and check-testing – an Australian perspective Andrew H Baghurst CalTest PO Box 546, Port Elliot, South Australia 5212 [email protected] for Australian Department of Climate Change and Energy Efficiency, Canberra Check testing Australia regulates motor efficiency through a joint Australian/New Zealand energy efficiency standards and labelling program called the Equipment Energy Efficiency Program. A key element of the program is monitoring and verification which is achieved through independent product check testing. This has now been in operation for a decade, and it continues to gain experience in that area. Some recent observations are as follows: • • • There has always been quite a good level of compliance with the MEPS requirements as set out in the standard AS/NZS 1359.5: 2004, and the number of failures continues to decrease. Further to the above, the margin of measured motor efficiency, above the minimum allowable values, has tended to increase, i.e., there is a tendency for less reliance on the tolerances which are permitted under check-test conditions (15% of losses for motors with ratings up to and including 50 kW, and 10% of losses for motors with ratings above 50 kW). Australian regulations do not allow any such tolerances in efficiency measurements made for the purposes of initial registration of a given motor, however, and this is different from the requirements of IEC 60034-30, in which tolerances similar to the above always apply. Currently Australia performs check-tests to both the equivalent of the ‘new‘ (IEC 60034-2-1: 2007) and the ‘old‘ (IEC 60034-2 equivalent) standards. It has been noted that recently-registered motors, and particularly those which exhibit low values of temperature rise under test, return relatively poor efficiency values when measurements are made to the ‘old‘ standard, (in which stator winding temperatures are assumed to be those for which the insulation is rated, e.g.115˚C for class F insulation). The newer standard returns the more realistic result. Standards development Australia has an on-going interest in the development of standards which support the regulation of motor and motor drive system efficiency, and is a member of IEC TC2 Working Groups 28 and 31 and of SC22G Advisory Group 15. The new draft edition of IEC 60034-2-1 (Standard methods for determining losses and efficiency from tests) continues to make good progress, having been discussed recently at meetings in Washington (2011) and Kyoto (2012). Important improvements include segregation of the standard into sections which represent the main motor types, the specification of a single preferred method for the determination of induction machine efficiency, and a specified temperature range for ambient air temperatures. Further, an informative Annex has been added which describes a method by which induction machine slip may be measured with low uncertainty. Finally, the order of tests and measurements has been agreed upon, as have the loading points (in the load curve test) and the voltage values for no-load measurements. Yet to be finalised is the question of specifications for measuring instruments and the expected uncertainty associated with final efficiency figures produced using the specified measurement methods. Originally drafted as a standard, IEC 60034-2-3 (Specific test methods for determining losses and efficiency of converter-fed AC induction motors) has become a Technical Specification (TS). This standard aims to describe means by which the additional losses produced in induction machines when fed with converter 30 Motor Summit 2012, Zurich, Switzerland supplies may be measured. The term ‘harmonic loss ratio‘ has been defined in the above context, but laboratory measurements conducted in both Europe and Australia on unloaded machines have shown that such a concept does not, by itself, adequately address the aims of the specification. Two distinctly different approaches are currently under discussion, with the method favoured by this author being an ‘A-B‘ approach, in which a motor under test, either loaded or unloaded, is switched between an essentially sinusoidal supply and a converter derived supply. The primary power source in this case might be a ‘reference converter‘, with the sinusoidal supply provided simply by filtering the output from the same converter. Voltage measurement under the above conditions has also received a good deal of attention, including the idea of a simple ‘flux-voltmeter‘. Australia supports the development of international energy performance classifications (tiers) to complement this TS, so that policy makers can select appropriate levels for regulation in different countries. Working Group 31 has responsibility fo IEC 60034-30 (The IE-Code), and this will be discussed in detail by Prof. Martin Doppelbauer in this forum. Of particular interest, however, are the questions of adapting the techniques described in IEC 60034-2-1 (as above) both to an induction machine output power rating range which now extends down to 0.12 kW, and to very high efficiency motors (which will be almost exclusively of the ‘new technology‘ type), in which output/input measurement methods with supremely high accuracy will be required. A new Technical Specification (IEC 201X: Energy efficiency for power drive systems, motor starter, power electronics and their driven applications) currently being written with input from IEC SC22G AG-15 is the complement of IEC 60034-2-3. Whereas the latter examines the behaviour of motors fed from a reference converter, the former seeks to quantify converter efficiency when feeding a reference motor. One of the chief problems faced by the writers of that standard is the question of the number of load/speed points at which measurements will be required in order to characterise adequately a given converter, and whether or not temperature stability is to be attained at any or all of those points. It was encouraging to see recognition of the importance of ambient air temperature in a draft from the meeting in Paris held earlier this year, requiring that the tests and measurements be made at a laboratory air temperature of 25 ±3˚C, but then disappointing to find that the draft presented at a subsequent meeting in Montreal had dropped any mention of a controlled ambient temperature testing environment. Australian – Swiss collaborative work As can be seen above, standards writing work raises many technical questions, a number of which cannot be answered at meetings from the experience of those present. This problem has led to discussions between the Australian and Swiss governments and the subsequent establishment of a collaborative research program to be carried out by the Ecole Polytechnique Federale Lausanne (EPFL) in Switzerland, and CalTest in Australia. The aim of this collaborative program is to build, in both countries, precision dynomometry equipment for the evaluation of those high efficiency motors and drive systems in which it is not possible to determine losses or efficiency by separation of losses methods. Work is now well under way in both countries, with the objective of designing, building, commissioning and using a dynamometer with ‘state-of-the-art‘ capabilities, and, towards the end of that program, to compare the two systems which have been developed, and to perform limited ‘round-robin‘-type tests by exchanging test objects. The work program is designed to be flexible, however, in order to be able to respond to the kinds of questions which inevitably arise in the generation of new and better standards and technical specifications. 31 Motor Summit 2012 Zurich, Switzerland New Motor System Efficiency Policy for China Zhao Yuejin China National Institute of Standardization NO.4 Zhichunlu, Haidian District, Beijing, 100088 China [email protected] The electrical motor system consumes about 50% of total electricity and 65% of i ndustry electricity. Chinese government implemented a series of policies to improve the energy efficiency and reduce the energy consumption of the motor systems, which are MEPS for products and production procedures, energy labels, supervision and monitoring and subsidy program. The MEPS and incentive programs are considered as powerful tools to push and pull the motor system market to higher energy efficiency. This presentation will introduce the policy framework of China motor system and its latest updates. 1. Mandatory MEPS for electrical motors and motor system related industrial products: A series of mandatory MEPS are implemented for the electrical motor system related important industrial products: • Electrical motors: small power motors, small and medium three-phase asynchronous motors, cage three-phase high voltage induction motor and permanent magnet synchronous motors • Motor system products: displacement air compressors, AC contactors, fan, centrifugal blower and pumps. 2. The motor system operation and optimization standards, which include: The guide of design optimization for motor systems (fans, pumps, air compressors), Economical operation for displacement air compressor system, Monitoring and testing for energy saving of motor-pump liquid transport system. 3. Label programs: China Energy Label Program has included the AC contactors, small and medium three-phase asynchronous motors, displacement air compressors and ventilators. 32 Motor Summit 2012, Zurich, Switzerland 4: Incentive policies: In order to promote the use of energy conserving motors, Chinese National Development and Reform Commission (NDRC) together with the Ministry of Finance (MOF) included high efficiency motors (HEMs) into the large national financial subsidy program called the “China Energy Savings Program”. This subsidy program will include ventilators, pumps and air compressors in near future to improve the energy efficiency of the motor system. 33 Motor Summit 2012 Zurich, Switzerland Rob Boteler/Bill Hoyt 11/12/12 Representing NEMA [National Electrical Manufacturers Association] United States Expands Motor Efficiency Scope This presentation will discuss recent efforts in the United States to expand the scope of motors covered by NEMA Premium efficiency and maintain the leading role in the world for motor efficiency. The discussion will provide insights into how a US motor coalition was created and how this coalition worked to redefine electric motor scope. The presentation will include the product evaluation process, enforcement, imbedded product, life cycle cost analysis and national impact analysis. In addition the presentation with evaluate other issues including product utility and end user considerations that have been deemed necessary to provide meaningful regulations. Lastly the presentation will include a time line for implementation that addresses manufacturing and end user needs aimed at assuring seamless transition in the US market. Electric motor efficiency performance standards have been in effect in the USA since 1997. NEMA’s Motor Generator section has embraced federal standards as a necessary means to move the market to acceptance of ever higher performing motors. Initial regulation limited the types of covered product categories and the level of nominal efficiency. As the motor manufacturing became more comfortable with these higher performance designs they gradually began to expand the higher performance electricals to an ever increasing number of types and categories. In 2012 EISA [energy independence and security act] increased the minimum levels of type one [general purpose] motors to NEMA table 12-12 [NEMA Premium] and added seven previously unregulated motors [type two] at the NEMA table 12-12 [EPACT] In the time since the enactment of EISA, the NEMA motor generator section members have continued the growth of premium performance motors with each member voluntarily choosing which of his products would benefit from the improved performance. In addition the enforcement of motor efficiency standards, particularly for imported motors embedded in equipment produced offshore has become an issue for the section members. Current regulations that do not cover some motor categories or cover some at 12-12 and others at 12-122 are seen as complicating enforcement. The Motor Generator section identified the enforcement issue as well as seeing the opportunity to expand the scope of covered products including many special and definite purpose motors as the basis to update to the federal energy standards for ployphase electric motors. This presentation will 34 Motor Summit 2012 Zurich, Switzerland discuss on the next steps the motor industry is taking to provide motor users with solutions that work. NEMA members continue to work with environmental groups, government agencies and end users as they expand scope of motor products that deliver the highest performance while remaining fully aware of end user needs for product utility and retrofit capability. Average efficiency gains by motor sizes Motor Range and Type Units from to hp kW hp kW 1 0.75 ≤5 ≤ 3.7 >5 > 3.7 ≤ 20 ≤ 14.7 > 20 > 14.7 ≤ 50 ≤ 36.8 > 50 > 36.8 ≤ 100 ≤ 73.5 > 100 > 73.5 ≤ 200 ≤ 147.1 > 200 > 147.1 ≤ 500 ≤ 367.7 Total units Efficiency IE3 % 89.5 91.7 94.1 95.0 95.4 95.8 Installed Efficiency % 82.7 86.8 89.2 91.9 92.7 93.4 NEMA MG1 Table 12-12 DOE 1998 average Estimated Efficiency Power Percent Gain Reduction % MW 8.2 379.9 5.6 417.4 5.5 276.7 3.4 144.2 2.9 56.7 2.6 46.1 Estimated Energy Savings GWh/a 1 519.8 1 669.6 1 107.0 576.9 226.8 184.3 5 284.4 4 000 h/a All data at 100% load; power quality per NEMA MG1 standards; kWh saved based on 4 000 hours per year of operation 35 Motor Summit 2012 Zurich, Switzerland Japan’s new motor standards and Top Runner Scheme Takeshi Obata Hitachi/JEMA Manager of Drive Systems Management Dept. Chairman of JEMA Energy Efficient Motor Committee Hitachi Industrial Equipment Systems Co., Ltd. 1-1, Higashinarashino 7-Chome, Narashino -shi, Chiba-ken, JAPAN e-mail [email protected] Background Japan started energy management by law in 1979. The law named “Energy management based on the Act on the Rational Use of Energy” (hereafter called ECL: Energy Conservation Law) has been applied in four sectors: factories, transportation, buildings, machinery and equipment. In each section, they have been made big efforts for energy conservation, energy intensity value, such as use of energy per real GDP, became world prominent level. After further studies, Ministry of Economy, Trade and Industry (METI) decided to make industrial motors target products of Top Runner Program. Top Runner Program for motors First step: FY2009: “Advisory committee concerning motor energy conservation measures” Investigation of actual condition report such as energy consumption equipment reported by the Institute of Applied Energy as a consignment business from METI. The purpose of the investigation is to grasp how much energy saving effect could be achieved by the introduction of the high efficiency motors. Second step: Financial year 2011~2012: Installation of Evaluation Standard Subcommittee of ECL. 1st committee was held on 13th December 2011. Coverage and test method decided. 2nd committee are being on the schedule. Target year and target efficiency will be decided by this committee. Third step: Financial year 2012~2013: World Trade Organization/Technical Barriers to Trade Notification: ECL and Evaluation Standard notification for motors. Maintenance of standards for top runner program ・ JIS C 4034-30 (2011/01/20): IEC 60034-30 Rotating electrical machines-Part 30: Efficiency classes of single-speed, three-phase, cage-induction motors (IE-code). ・ JIS C 4034-2-1 (2011/01/20): IEC 60034-2-1 Rotating electrical machines-Part 2-1: Methods for determining losses and efficiency from tests of single-speed, three-phase, cage-induction motors. ・ JIS C XXXX (waiting for target efficiency): Low-voltage three-phase squirrel-cage induction motors. 36 Motor Summit 2012, Zurich, Switzerland Decided items in 1st committee (Installation of Evaluation Standard Subcommittee of ECL) 1. Coverage of the motor. Coverage of the motor, regulated by ECL as a top runner product is discussed basically in the scope of JIS C 4034-30. Output range: 0.75 kW to 375 kW, 2P 4P 6P, rating S1 and S3. But there are some exceptional items and applied items. For example, Inverter drive motors are out of scope in the JIS C 4034-30. But if these motors can be driven by commercial powers, they are included in the coverage. (Figure 1) Coverage JIS C 4034-30 Rotating electrical machines-Part 30 : Efficiency classes of single-speed, three-phase, cage-induction motors (IE code). Exception items (1)Special insulation(①③) ※Reason of exception (2)Δ– starting(①③) ①Special use. (3)Marine motors(③) ②Testing method is not (4)Submersible motors(①②③) established technically. (5)Explosion proof motors(①③) ③Small-market. (6)High slip motors(①③) (7)Water gate motors(①③) (8)Canned motors(①③) (9)Low temperature environments(①②) Inverter drive motors are out of scope, but based frequency range 50Hz±5% or 60Hz±5% are included. Exception items (10)External fan cooling. Figure 1 Coverage of the motor regulated by ECL as a top runner product. 2. Test method. Test method is defined from JIS C 4034-2-1. Only one method is allowed to determine efficiency equal to IEEE 112 method B. 37 Motor Summit 2012 Zurich, Switzerland The Motor Systems Tool – The continued development Sandie B. Nielsen Danish Technological Institute Kongsvang Allé 29, DK–Aarhus, Denmark [email protected] The Motor Systems Tool – The continued development The Motor Systems Tool was first presented and published at EEMODS´11, Washington D.C. in September 2011. Since then it has been available for free download (registration required) at the EMSA web page: http://motorsystems.org. More than 600 registered downloads has since taken place. In the spring of 2012 a survey was held to get feedback from the people actually using the tool. In parallel to the EMSA project, Danish authorities have decided to continue supporting the Danish part of the MST-Tool so that an actual project group is supporting the continued development of the tool. Therefore, a palette of ideas for the second generation of the tool has been noted – also taking into account the feedback from the 2012 survey. Figure 1 Main page of the Motor Systems Tool 38 Motor Summit 2012, Zurich, Switzerland First priorities… A lot of very good ideas for further development have been presented from both the survey, the working group as well as the EMSA members. Having prioritized the working group has started their focus on implementing gears and verifying the algorithm for smaller motors. Figure 2 Gear selection page In the pipeline there’s ideas of more detailed application inputs, more variation in terms of speed control handling and last but not least a more extensive approach toward the energy calculations of the tool. The presentation of the MST-Tool at the Motor Summit ’12 will show the implementation of the gears into the tool as well as a short description of some selected algorithms inside the tool, followed by discussions and new ideas. Workshop at Motor Summit ‘12 On Tuesday December 4 2012 at the Motor Summit ’12 interested parties are invited to participate in a workshop about the MST-Tool. Here a thorough explanation of the tool will be presented combined with calculation exercises both as “text book” examples as well as participants own application examples from real life. Participants should bring: - Windows based Pc, (preferably pre-installed with MST-Tool, but not a requirement!) 1 – 2 real life samples of “typical” situations met in industry. 39 Motor Summit 2012 Zurich, Switzerland IEC Motor Efficiency Classes from IE1 to IE5 Martin Doppelbauer Karlsruhe Institute of Technology (KIT), Institute of Electrical Engineering (ETI) Kaiserstrasse 12, 76128 Karlsruhe, Germany [email protected] The revision of the energy efficiency standards On 23rd June 2010 the Directorate-General for Energy of the European Commission issued a mandate to CENELC regarding standardization in the field of electric motors. It has been agreed between CENELC and IEC TC2 that the actual work will be carried out in IEC working groups WG28 (for test procedures), WG12 (for tolerances) and WG31 (for energy efficiency classification). Consequently, several meetings of working group 31 were held to prepare the next edition of the energy efficiency classification standard IEC 60034-30: In April 211 in Frankfurt, Germany, in September 2011 in Washington, USA and in June 2012 in Kyoto, Japan. The next meeting is scheduled for May 2013 in Istanbul, Turkey. Two committee drafts have been published in May 2011 (2/1632/CD) and December 2011 (2/1652/CD). At the Kyoto meeting it was decided to split the standard in two parts: Part one will cover a.c. motors operated on constant voltage and frequency from the grid. Part two will cover a.c. motors running on variable voltage and variable frequency power supply. A committee draft for vote for the first part was released in September 2012 (2/1679/CDV). It is envisaged to prepare the final draft for voting by early 2013 and issue the standard by end of 2013. The second part of the standard is not yet drafted. A first proposal (NWIP = New Work Item Proposal) shall be prepared in spring 2013 at the Istanbul meeting following the developments of the testing standard IEC 60034-2-3. Changes in the next edition of IEC 60034-30-1 The first edition of IEC 60034-30 is limited to three-phase cage-induction motors. The second edition will cover all types of motors that are used in industrial applications within the specified output power range. These can be either fixed speed motors, which are rated for on-line operation and variable speed motors, which are rated for frequency converter power supply. It was decided to keep the energy efficiency limit curves equal and independent of the motor technology. That will enable different technologies to compete against each other. This philosophy is not fully compatible with the current legislation in the U.S. and China, where additional limit curves for single-phase motors and for form wound motors have already been established. However, it is believed, as more and more different motor technologies come into play, there is no alternative to having one common set of limits. 40 Motor Summit 2012, Zurich, Switzerland Several loopholes have been closed in the definition of the covered motors. For example the definitions of operating temperature range, of brake-motors and of operating cycles (continuous duty versus intermittent duty) have all been improved. It has been decided to introduce limit curves for 8-pole as well since these motors are now covered in national regulations of many countries (irrespective of their low sales quantities). High voltage motors will not be covered by the standard since these motors have a very special electromagnetic and thermal design and are usually developed and produced on a per-order basis and not in mass production. Liquid cooled motors are often selected for their power density (higher power in the same frame size compared to air cooled motors). High efficiency capabilities are therefore limited. Liquid cooled motors will therefore be included but just as with open motors there will be a note indicating the technological difficulties in reaching the higher efficiency levels. In accordance with the requirements of the EU-mandate and several national energy efficiency regulations for electric motors the output power range covered by the two standards IEC 60034-30-x will be expanded from 0,12 up to 1000 kW. The future of the IE-Code The IE-Code is regarded as a universal code for all kinds of components in a drive system like motors, frequency converters, gearboxes etc. This view of TC2 was established at the plenary meeting in Kyoto and has been harmonized with CENELEC SC 22G and their working group 15. Consequently, SC22G will use the IE-code for their new component standards for frequency converters as well. The IE classes IE1 to IE4 for 50 Hz and for 60 Hz motors will be published in IEC 60034-30 Part 1 and for variable speed motors in Part 2. The European Union requested an energy efficiency class of IE5 in their mandate. As of the time of writing, no motor products beyond IE4 are known in the market place and consequently a useful definition of IE5 cannot be given. It is envisaged to reduce the losses of IE4 motors further by some 20% for the IE5 class. 41 Motor Summit 2012 Zurich, Switzerland The Extended Product Approach for Fan and Pump Systems Dr Hugh Falkner Department of Climate Change and Energy Efficiency Australia [email protected] We know that most of the energy savings are in the motor system, mostly through better control. But trying to regulate systems has proven to be difficult, which is why we regulate the components that make up the system, (motor, pump, fan etc). The Extended Product approach has been developed by Europump to help overcome this problem, and is now being investigated as part of the European Commission Energy Using Product Lot 28 and 29 studies on pumps. This approach seeks to achieve further energy savings by regulating more than just the individual motor or pump. In this presentation three distinct types of product assembly are described and characterised: • A combined product is where a pumpset is marketed as a separate motor + pump, even if eventually sold as a combined product by a local distributor. • An integrated product is an assembly of one or more products, the simplest case in this study being the pump (hydraulic stage) and the motor. • An extended product is either of the above PLUS something about how it operates in a typical system. In practice it is not always clear when a product is truly an extended product that can be regulated as a whole, or if it is missing certain essential characteristics. In order to clarify this situation, the following criteria are suggested as indicating that the Extended Product approach is valid: • Commonly sold as a complete package • Includes controls . This gives a means of altering the operation of the product • Includes a sensor for feedback. Input to the control system such that the control system works properly. • Similar duty profile to allow comparison between products on a fair basis. This is important because duty defines the life cycle cost of the product. • It may also include any hydraulic passageways that are part of the packaged product. This is not essential, but is a clear mark of genuine mini system. Figure 1 illustrates the suggested classification of pump types by assembly arrangement. 42 Motor Summit 2012, Zurich, Switzerland Lot Application 28 28 28 Stand alone product (pump only) Cominded products Integrated product (pump and motor are seperable but usually sold together Centrifugal submersible pump Radial sewage pump 1 to 1000kW x Mixed flow & axial pumps x Centrifugal submersible pump – once a day operation Shredding, grinding pumps x Radial sewage pumps 1 to 10kW x Where volute is part of a tank x Centrifugal dry well pump Radial sewage pump 1 to 1000kW x Mixed flow & axial pumps x 28 Archimedean screw pump x 28 Centrifugal submersible domestic drainage pump < 40 mm passage x 28 Submersible dewatering pumps x 28 Progressing cavity pump x 28 Slurry Pumps x 28 Peristaltic pump x 28 Plunger and piston pumps x 28 Diaphragm pump x 28 Tank mixers x 28 Turbo blowers x 28 Rotary lobe pumps x 28 Screw pump x 28 Rotary vane pump x 28 Gear pump x 29 Swimming Pool pumps Domestic with built in strainer up to 2.2 kW x Domestic/commercial with built in strainer over 2.2 kW x 29 Fountain and pond pumps to 1 kW x 29 Aquarium pumps (domestic/small aquarium - non-commercial) to 120 W x 29 Aquarium power head (separate study for life cycle data only) to 120W 29 29 Spa pumps for domestic & commercial spa’s (where the water is retained and filt d) Counter-Current Pumps 29 End Suction water pumps ( over 150kW-P2) total x x x ES Close Coupled up to 1 MW x ES Close Coupled Inline up to 1 MW x ES Own Bearing up to 1 MW x 29 8” Submersible bore-hole pumps x 29 10” Submersible bore-hole pumps x 29 12” Submersible bore-hole pumps x 29 Submersible bore-hole pumps larger than 12” x 29 Vertical multi-stage pump (25 to 40 bar and/or 100 to 180 m3/hr) x 29 Vertical multi-stage pump (>40 bar and/or >180 m3/hr) x Figure 1 Classification of pump types by assembly arrangement 43 Motor Summit 2012 Zurich, Switzerland Results from Efficiency Testing of Switched Reluctance and AC Permanent Magnet Motors Drive Systems Pierre Angers, P. Eng. Researcher - End Use Technologies Energy Technology Laboratory Hydro-Québec's Research Institute Shawinigan, Québec, Canada e-mail: [email protected] Abstract Many industrial processes require precise and accurate control over system parameters such as flow, pressure, temperature, process speed, etc. The use of a variable frequency drive (or converter) to match the motor driven equipment speed and torque to the requirements of the process load can result in large energy savings particularly in variable torque or centrifugal loads. It is estimated that 30% of industrial motor system energy is candidate for converter application to control the speed and torque of a motor. It is however recognized that the energy efficiency of asynchronous three-phase induction systems (combination of converter and motor) varies significantly when they operate at different speed and torque points. Some manufacturers of Switched Reluctance (SR) and Permanent Magnet (PM) systems claim that the energy efficiency is at least as good as the best squirrel cage three-phase induction motors (IM) operating at their best efficiency and may also have higher efficiencies under a wider span of load conditions. Apart of the energy efficiency aspect, each technology has its own advantages in regards of inertia, robustness, cost, etc. The proposed test protocol used in this study for determination of efficiency of the converter, the motor supplied by converter or the combination of both converter and motor is based of the draft standard CSA C838: "Energy Efficiency Test Methods for Three-Phase Variable Frequency Drive Systems" currently under development in Canada. Figure 1 presents an overview of the test set-up. 3-phase Control Control Acquisition °C A n, Td Torque Torque Load Brake V VFD V A Speed Speed Wattmeter1 Wattmeter2 Converter under test Machine under test Figure 1: Test Set-up 44 Motor Summit 2012, Zurich, Switzerland The objective of the presentation is to give the most recent testing results of the project on energy efficiency over the entire speed and torque range of these emerging technologies that have recently become commercially available. It is believed that the results of this investigation bring a solid information base that can influence actions in promoting high efficiency and best choices in customer technologies. 45 Motor Summit 2012 Zurich, Switzerland ISO 50001 Energy Management – and EMDS (Electric Motor Driven Systems) M. van Werkhoven TPA bv G. Winkelmanlaan 31, Aerdenhout, The Netherlands [email protected] R. Vermeeren; F. Hartkamp NL Agency The Netherlands Introduction Electric motor driven systems (EMDS) use up to 69% of electricity in Dutch industry. Research and projects show that system optimization and best available drive technology can deliver reductions of 20 - 30% in pumps, fans and compressors in heating, cooling and ventilation systems, and industrial handling, processing and production systems. Thus, lowering the national electricity bill by 5 to 8%. Obstacles in the marketplace and a low awareness of best practice and technology hamper market penetration. Government and the Dutch motor systems industry have started initiatives to accelerate market penetration along 3 lines of activity: voluntary agreements programs, technology network and EMSA. This presentation focusses on the role Energy Management Systems (EnMS), and in particular ISO 50001, can fulfil in these initiatives for acceleration of market penetration. Voluntary Agreements and EnMS In the Netherlands a total of circa 1,000 energy intensive companies from 40 different sectors participate in voluntary (long term) agreements (VA’s) with the government. Objective: reducing the quantity of required energy per unit of product or service by improving energy efficiency by 2 per cent annually. The participating companies have to implement a threefold set of activities: (1) making an Energy Efficiency Plan every four years, (2) yearly monitoring of production level and energy use and (3) having an up and running energy management system. For the last 10 years a non-formal Dutch EnMS standard has been used (Checklist Energiezorg). Enterprises had to declare on a yearly basis, based on the checklist, there implementation status. After three years they needed to have a 100% score, an EnMS implemented. Cross reference documents were available to ISO 14001, 9001 and 22000. A result of this 70% of industrial energy use is managed structurally either by applying the Dutch energy management specifications or having EnMS integrated in ISO 14001 as a significant environmental aspect. EnMS ISO50001 and EMDS When EN 16001 and ISO 50001 developments started NL Agency decided to take a pro-active approach in order to create a perfect match between our Dutch standard and ISO 50001. By participation in CEN PC Energy Management and TC 242. NL Agency performs a yearly sample audit with 30 to 50 VA-participating enterprises on the quality and implementation of their EnMS. An analysis is made detailed to the different aspects of the EnMS. 46 Motor Summit 2012, Zurich, Switzerland This year extra attention has been given in the audit on ISO50001 and on some main aspects of electric motor driven systems in the applied EnMS. Some conclusions regarding the implemented EnMS systems in general: the parts Checking (where energy auditing is a big part) and Energy review are the weakest points in compliance. It turned out that in this specific cases real management commitment seems lacking. Figure 1 Targets for EMDS in EnMS ISO50001 Four aspects (A tm D in figure 1) were part of the audit 2012. These are • Consumption analysis & identification of drives, Analysis of measures. Only 40% of the enterprises know (to some extent) details of their motor energy use. This means that the 60-70% electricity use by EMS is not recognized as ‘significant energy users’. Not one of the enterprises has a specific plan for EMS, nor have they the intention to do so the coming period. Some will implement more submeters to gain more insight in the energy use of conveyors. • Maintenance and overhaul This is covered in terms of general maintenance schemes, mainly of drive systems in general. Only 17% has specific procedures for preventive and corrective maintenance of motors and drives. Most of the enterprises act reactive on corrective maintenance needs. Technical and operational employees work out ad hoc solutions. • Procurement More than half of the enterprises (56%) states that procurement works with minimum standards for motors. But some of them refer to IE2 as efficient. Not every participant is familiar with the new EU regulation. None of them applies LCC principles. The awareness within the enterprises of the share of EMS in their electricity use is low. This does not match with the ISO 50001 standard. This goes also for the position of EMS in the EnMS activities. The companies with the highest compliance show the best score on these 3 aspects of EMS in EnMS. The outcomes of this audit 2012 underline the need for action from government, suppliers and installers towards the industry in accelerating the implementation of efficient EMS. In the Netherlands these parties are working together on this target by participating in the Knowledge network KEEA, in the Green Deal Efficient EMS, and in EMSA. The ISO 50001 standard in itself seems to have adequate targets for applying efficient EMS. More focus is needed on the connection of EMS to the ISO standard, and on developing awareness on the possibilities of efficient EMS. 47 Motor Summit 2012 Zurich, Switzerland Future Improvements in Electric Motor System Efficiency John Petro Founder and CTO NovaTorque, Inc. 3501 Gateway Blvd. Fremont, CA 94538 USA [email protected] Introduction While motor system efficiency has improved significantly in recent years, there are a number of additional gains that can be expected in the future. This presentation will cover some of these possible improvements with respect to both motors and drives. Motor system efficiency could easily be increased with technologies and components that exist today, but at costs that the marketplace is reluctant to accept. Therefore, the emphasis in this presentation is on identifying the time frame when potential improvements will be available in a cost-effective manner. Of course, “cost-effective” depends not only on the cost of energy, but also on the way costs are accounted for within an organization. The largest untapped potential for efficiency gains in motor-driven applications actually lie outside the motor and drive and include: applying variable speed systems to all processes that could benefit from variable speed; making improvements in mechanical systems such as pumps and fans that are driven by electric motors; and altering manufacturing processes so that they do not require so much energy input. However, cost-effective improvements in motor system efficiency also show significant promise. Efficiency Improvements in Motors There are two main areas where cost-effective efficiency gains can be accomplished in motors: the materials that make up the motor and improvements in motor design. Important work is currently being conducted on improving all the materials that go into a motor, including (1) soft magnetic materials, such as those used in laminations, (2) magnet materials, (3) conductors, (4) bearings and their lubrications, and (5) casing materials. With respect to design, there are copper rotor induction motors, improved switch reluctance motors and a variety of new permanent magnet (PM) motor topologies. Soft magnetic motor components undergoing improvements are (1) lower loss lamination steels, (2) high performance amorphous metals, (3) exotic alloys such as Cobal alloys, (4) soft magnetic composites such as oriented SMC material and (5) nano particle compositions. There is an abundance of work currently being conducted on advanced magnets. Opportunities include Samarium Iron Nitride (SmFeN), Cesium-based magnets, numerous nanoparticle PM formulations and many others. 48 Motor Summit 2012 Zurich, Switzerland Conductors have potential for improving efficiency though the use of rectangular conductors, flat wire, and foil conductors. Each of these is likely to see more usage in the near future. Progress is also being made in better insulation coatings for conductors. More distant possibilities include carbon nanotube conducting wire and high temperature superconductors. The mechanical losses from the motor bearings are being addressed with better bearing designs, advanced materials such as ceramic balls, and lower friction lubrications. In the more distant future, magnetic bearings and fluid bearings may be deployed more commonly in the motor market. Casing and potting materials with better thermal conductivity are being utilized so that heat can escape more easily from the motor, resulting in a more reliable and more efficient motor. With respect to higher performance motor designs, there are also numerous possibilities. Many new PM geometries are being developed such as transverse flux motors, radial hub motors, and permanent magnet axial motors. Motor designs based on ferrite magnets are being introduced to provide high performance combined with attractive costs. In addition, switched reluctance motors are being improved, as well as coaxing more performance out of induction motors with copper rotors. Efficiency Improvements in Drives Looking at the electronic drive or inverter for the motor, a similarly long list of improvements can be forecast. The improvements can be divided into the following three categories: improved components, new designs, and improvements in software and application techniques. Better components include (1) active power semiconductors such as IGBT’s, MosFets, GaN and SiC components, (2) power supply conversion components used in internal power supplies, (3) lower power processors and (4) lower loss passive components like inductors and capacitors. New bridgeless designs, such as those from International Rectifier or from Optimum Power Conversion (Cuk design), as well as others, represent an opportunity for efficiency gains. These designs eliminate at least one stage of rectification loss, helping to boost overall drive efficiency. Reduction of motor drive standby power is also being implemented. Software and control techniques can also be applied to help improve system efficiency. These include such approaches as (1) varying DC link bus voltage with motor speed and load, (2) voltage boosting to operate at higher voltages and lower currents and (3) power factor correction to prevent excessive loss in the power lines feeding the inverter. Conclusion With all these possibilities for improvements in both motor and drives, the future is bright for significant continued increases in overall motor-driven system efficiency. 49 Motor Summit 2012, Zurich, Switzerland Moving Beyond Induction Motors LOT 30 – The New EU Ecodesign Study Anibal T. De Almeida Dep. of Electrical Engineering, University of Coimbra (ISR-UC), Polo II, 3030-290 Coimbra, Portugal [email protected] Abstract – The scope of LOT 30 - New EU Ecodesign Study is presented in terms of the addressed motors and with the focus on system approach. Figure 1 - General Structure of a motor system, Source - DoE IE3 Premium efficiency motors are now mandatory in North America, and will be mandatory in the EU by 2015, but new higher efficiency classes are being introduced. Relatively new technologies beyond the induction motor are able of further the efficiency of motors, particularly in the low power range. Motors of IE4 Super-Premium Efficiency Class are already available in the market since 2010, and a new IE5 Ultra-Premium Efficiency Class is being considered. Within the IE4 SuperPremium Class, Line-Start Permanent Magnet Motors (LSPM) are a recent entrance in the industrial motor market. Its steady-state performance is outstanding, but, as in all technologies, there are some associated issues, both for retrofitting or new applications. A comparative technical and economical analysis on commercial IE2-, IE3- and IE4-class motors is presented, including a in-field example of replacement of a squirrel-cage induction motor by a LSPM. 50 Motor Summit 2012, Zurich, Switzerland Newly introduced synchronous reluctance motors which are breakthrough in terms of efficiency, robustness and simplicity, are presented, including potential applications for variable speed applications. Figure 2 – IE3 Premium and IE4 Super-Premium Technologies in the market (Source- Univ. Coimbra) The use of amorphous metals to slash magnetic losses, as a possibility to achieve IE4 performance is also presented 51 Motor Summit 2012 Zurich, Switzerland Experience With Permanent Magnet Motors Carlos Eduardo Guarenti Martins WEG Equipamentos Elétricos S.A. Rua Venâncio da Silva Porto, 399 89252-230 – Jaraguá do Sul Santa Catarina – Brazil [email protected] Sebastião Lauro Nau WEG Equipamentos Elétricos S.A. Rua Venâncio da Silva Porto, 399 89252-230 – Jaraguá do Sul Santa Catarina – Brazil [email protected] Abstract This paper presents a comparison between the various types of permanent magnet (PM) motors, discussing their characteristics, advantages and disadvantages, energy efficiency, speed range, ease of manufacturing and applications. Introduction According to recent studies [1], electric motors and the systems they drive are the single largest electrical end-use. It is estimated that electric motor-driven systems account for between 43% and 46% of all global electricity consumption. In the European Union they are estimated to account for about 70% of all industrial electricity consumption. Induction motors have been the most used drives in industry, due to its robustness, reliability and simple operation (direct connection to the mains, without electronic control). However, in many applications variable-speed drives offer significant energy saving potential [2]. In this scenario, permanent magnet motors are competing technologies for the induction motors, due to their higher efficiency. Permanent Magnet Motors PM motors offer the highest efficiency of all motors, due to the absence of joule losses in the rotor, and high power factor due to the excitation flux of the permanent magnets (resulting in smaller currents). PM motors can use rare-earth or ferrite magnets. They can be synchronous or electronically commutated. Rare earth magnets are often used in high performance motors (high-efficiency industrial motors, servomotors), also making them smaller and lighter than induction motor counterparts. Ferrite magnets are often used in low power motors (commercial and residential heating, ventilation and air conditioning, washing machines, pumps), because ferrite is much less expensive than rare-earth magnets. There is a variety of rotor configurations for PM motors, and which one is the best is a matter of the application requirements. Surface-magnet, interior-rotor motors Fig.1 and Fig.2 show examples of such motors. The permanent magnets are placed on the surface of the rotor. This facilitates manufacturing of the rotor, since the magnets can be put in place before magnetization, being magnetized all together at once in a special magnetizing fixture. These motors have very limited constant power speed range, being suitable for fluid-flow applications. These motors have no magnetic saliency, so there Fig.1. Surface PM is no reluctance torque. High speed operation is motor - distributed limited by the strength of the magnets against windings centrifugal forces, if no special retention devices are used, for example, an external non-magnetic sleeve. Surface-magnet, exterior-rotor motors 52 Fig.2. Surface PM motor – single-tooth windings Motor Summit 2012, Zurich, Switzerland Fig.3 and Fig.4 show two examples of exterior-rotor PM motors. They have higher torque per volume ratio than interior-rotor motors. The magnets are placed on the internal surface of the rotor, and they are retained against centrifugal forces by the rotor yoke. The motor in Fig.3 can be used in customized fan applications, where the blades can be fixed Fig.3. Exteriordirectly on the external surface of the rotor. The rotor PM motor with motor in Fig.4 is well suited for high-torque low8 poles speed applications, like direct-drive washing machines, elevators, cooling towers, etc, thus eliminating gear-boxes. Fig.4. Exteriorrotor PM motor with 16 poles Interior-magnet motors The permanent magnets are placed inside the rotor lamination. Several rotor topologies are possible, some of them are shown in the figures below. Constant-power speed range is higher than for surface PM motors. These motors are suitable for traction applications. These motors have magnetic saliency in the rotor, so they have a reluctance torque component that adds to the torque due to the magnets. Fig.5. IPM motor – radial magnets Fig.6. Multi-layer IPM motor Fig.7. IPM motor – tangential magnets Fig.8. IPM motor – V-shape magnets Line-start PM motors Line-start PM motors are hybrid induction/permanent-magnet motors which combine an asynchronous start with a synchronous steady state operation (Fig.9). The stator windings are conventional distributed windings, while the rotor is a special combination of squirrel cage and interior permanent magnets buried beneath the squirrel cage. They can start and accelerate directly from the mains without the need of electronic control, like a conventional induction motor, and then be pulled into synchronism by the permanent magnets. At steady state, the motor operates synchronously, without rotor currents. They have lower torque to volume ratio than the interiormagnet PM motors discussed earlier. In general, line-start PM motors are limited to low-inertia applications. If the load inertia is higher than the maximum allowable inertia, the motor will fail to synchronize. Fig.9. Line-start PM motor References 1. 2. P. Waide, C. U. Brunner, “Energy-Efficiency Policy Opportunities for Electric Motor-Driven Systems”, International Energy Agency (IEA), 2011. A. T. de Almeida, F. J. T. E. Ferreira, D. Both, “Technical and Economical Considerations in the Application of Variable-Speed Drives With Electric Motor Systems”, IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 41, No. 1, Jan/Feb 2005. 53 Motor Summit 2012 Zurich, Switzerland IE4 magnet-free SynRM motor-drive packages and verified package efficiency available now Ari Tammi ABB IEC low voltage motors ABB Oy, Strömbergin Puistotie 5A, 65320 Vaasa, Finland [email protected] 11 – 315kW IE4 motor-drive packages available for pump & fan applications ABB launches new IE4 SynRM packages at Germany’s SPS/IPC/DRIVES trade show Nov. 2012. Synchronous reluctance motors feature an innovative rotor combined with a conventional stator. The rotor has no windings - unlike traditional synchronous designs - meaning that rotor power losses are virtually eliminated. This not only boosts efficiency but also ensures that the rotor runs cool, keeping the bearing temperature low and significantly increasing bearing reliability. With its advanced rotor technology, a magnet-free SynRM motor delivers the performance of a permanent magnet motor but is as easy to service and cost-efficient as an induction motor. ABB’s IE4 SynRM motors follow the same size/output combinations as IE2 induction motors, making it easy to replace an existing motor with a higher efficiency SynRM product. SynRM motors are packaged with a matched ACS850 industrial drive loaded with dedicated software. When ABB first announced SynRM technology in 2011 it immediately won the prestigious Automation Award at Germany’s SPS/IPC/DRIVES trade show. At the same time ABB launched compact High Output SynRM motor-drive packages, and these are now being complemented by the introduction of the IE4 range. A full range of pre-selected packages is available – optimized for pump and fan applications – in the power range 11 - 315 kW. All offer smooth, efficient process control, and optimal energy use. 54 Motor Summit 2012, Zurich, Switzerland Motor-drive package efficiency Standards for motor efficiency and IE classes have so far focused exclusively on motors with sinusoidal supply. When evaluating energy consumption of variable speed motor-drive package motor-only efficiency becomes insignificant. ABB is the first manufacturer in the field to provide verified efficiency curves for the entire motor-drive package and covering the whole speed range. Users can therefore accurately calculate the energy consumption of their equipment – something that has been impossible before because efficiency data has been available for motors only. 55 Motor Summit 2012 Zurich, Switzerland SEAD Global Efficiency Medal Competition for Electric Motors Presenter: Sanaée Iyama Lawrence Berkeley National Laboratory 1 Cyclotron Rd, Berkeley, CA, 94720, USA [email protected] The Super-efficient Equipment and Appliance Deployment (SEAD) Initiative’s Motor Award Competition - Introduction The goal of the SEAD Global Efficiency Medal competition is to promote global market transformation by: • • • • • • Increasing the market share of highly efficient products – recognizing “super-efficiency” and making it visible to consumers; Spurring innovation among manufacturers – awarding the SEAD Global Efficiency Model to products with the most efficient emerging technology; Supporting test harmonization activities – using internationally-recognizable test methods when possible; Building test laboratory capacity – ensuring that participating award regions have the capability to perform product testing according to the latest international test standard; Providing internationally-comparable and transparent test results; and Complementing standards and labeling policies With these goals in mind, the SEAD Initiative is initiating an international award competition to recognize the most energy efficient electric motors, the single best product within a set of categories and regions. The competition will recognize both established and emerging technology products, comparing regional winners to select the world’s most efficient product for a global award. The SEAD motors awards is targeting motors that can serve as drop-in replacements for existing motors. Winners will be selected from manufacturer nominations, which will be subject to verification testing to confirm energy efficiency claims. SEAD Motor Award Competition – Technical Requirements SEAD is currently in the process of resolving critical technical issues in order to finalize the competition requirements and framework. SEAD would like to solicit input from the technical experts attending the Motor Summit to help inform our decision-making process towards finalizing the competition rules. Technical requirements under consideration are as follows: 56 Motor Summit 2012, Zurich, Switzerland 1. Market segment – The SEAD motor awards competition is targeting direct replacement customers rather than OEMs, as direct replacement customers are more likely to be interested in energy efficiency whereas OEM customers are primarily concerned with performance and weight factors. 2. Size categories – SEAD is in the process of determining the appropriate size categories for the commercially-available motors category of this competition. The categories in consideration are small horsepower motors with high per-unit efficiency improvement potential and larger horsepower motors with the greater cumulative energy savings potential. The size considerations are also affected by the footprint in the market segments stated above. 3. Test lab scheme – SEAD is considering two possible alternatives--- engaging regional test laboratories as with the television awards competition or using a single reference test laboratory to perform verification testing of all nominated products for this competition. 4. Shipment thresholds – SEAD is in the process of determining the appropriate shipment thresholds for each award region, to ensure that award-winning motors have the potential to make up enough of the market share towards realizing significant energy savings. 5. North America regional competition requirements a. Motor frame specifications – Currently, SEAD is considering whether to utilize NEMA and/or IEC frame specifications for the North American regional competition. The bulk of the North American market is occupied by NEMA motors, hence IEC motors may not be appropriate drop-in replacements. On the other hand, since the other regions will use IEC frame specifications, the North American IEC entries will be used to determine the global award winners. b. Test method – SEAD will need to determine whether to utilize the NEMA or IEC test method for the North American regional competition. Again, this choice may be driven by the predominant testing method in the market. However, since the other regions will test using the IEC method, this will be used to determine the global award winners. Contact: Kavita Ravi US Department of Energy 1000 Independence Ave. SW, Washington, DC 20585 USA [email protected] 57 58 6 December 2012 Umsetzung in der Schweiz 59 Motor Summit 2012 Zürich, Schweiz Effiziente Elektromotoren und effiziente Antriebssysteme Conrad. U. Brunner Schweizerische Agentur für Energieeffizienz Gessnerallee 38a, CH 8001 Zürich [email protected] Effiziente Elektromotoren Abbildung 1 Energieeffiziente elektrische Motoren haben einen Namen: IE3 Premium Effizienz (Quelle: IEC 60034-30) Die IE3-PremiumeffizienzMotoren sind endlich auch in Europa angekommen und in der Schweiz erhältlich. Sie sind aufgrund der IEC Norm 6003430 eindeutig definiert. Sie sollen gelegentlich gemäss IECEE auch mit einem speziellen Label gekennzeichnet werden (Abbildung 1). Die Testmethode ist nun mit der Revision der IEC 60034-2-1 geklärt und als "bevorzugte Methode" so definiert: Einzelverlustverfahren mit Belastungsprüfung, Streuverluste PLL aus den Restverlusten. Neu können ab 2013 in der revidierten IEC 60034-30-1 auch Motoren von 0.12 kW bis 1000 kW, mit 2-, 4, 6- und 8-Polen bis hinauf zur Effizienzklasse Super Premium Effizienz IE4 definiert werden (Abbildung 2). Wirkungsgrad bei Nennleistung [%] 100 95 90 85 80 75 IE4 - Super Premium Effizienz 50 Hz 70 IE3 - Premium Effizienz 50 Hz 65 60 IE2 - Hohe Effizienz 50 Hz 55 IE1 - Standard Effizienz 50 Hz 50 0.1 Abbildung 2 1 10 100 Mechanische Motorleistung [kW] log Massstab 1000 Wirkungsgradklassen von 4-poligen Elektromotoren an 50 Hz (Quelle: Entwurf IEC 60034-30-1, 2012) Die Effizienzklassen umfassen neu auch weitere Motorentypen wie Reluktanz- und PermanentmagnetMotoren, soweit sie auch direkt vom Netz betrieben werden können. Die meisten grossen Motorenhersteller liefern heute IE3 Motoren in wichtigen Grössen ab Lager. Einige Hersteller liefern sogar elektronisch kommutierte IE4 Motoren für Pumpen- und Ventilator-Anwendungen. Inzwischen hat der Motorenmarkt dank zwingenden Mindestanforderungen für die Effizienz auch grosse Entwicklungsschritte gemacht. Seit 2011 sind nur noch IE2, ab 2015 nur noch IE3 Motoren in der Schweiz zugelassen. In Europa sind ab 2015 auch Kombinationen von IE2-Motoren mit Frequenzumrichter erlaubt. Anwendermodule: vom Motor-Check zum Systems-Check Ein Elektromotor wird nie als "stand-alone" eingesetzt: Anwender interessieren sich für Maschinentypen. Im Vordergrund stehen Pumpen (für Wasser und Hydraulikanlagen), Ventilatoren (für die Raumluftförderung und Gebläse), Kompressoren (für Kältemaschinen und Druckluft) sowie Antriebe von Förderanlagen (Bändern, Aufzüge, Krane), und weitere Prozessmaschinen (Walzen, Siebe, Rüttler, etc.). Dazu hat Topmotors neue Merkblätter für Industrie- und Gebäudetechniker herausgegeben, die die neuesten Anforderungen und Normen aus Europa und der Schweiz zeigen sowie eine praktische Anwendungshilfe für die beiden häufigsten Anwendungen bei Pumpen und in der Luftförderung geben (Abbildung 3). 60 Motor Summit 2012, Zürich, Schweiz Abbildung 3 Merkblätter "Pumpen" und "Luftförderung" (Quelle: www.topmotors.ch) Energieeffizienz erfordert, das ganze Antriebsystem zu optimieren. Die grossen energetischen Verbesserungen sind erst bei einem optimalen Zusammenspiel aller mechanischen und elektrischen Komponenten möglich. Ein Hilfsmittel zur integralen Berechnung zeigt Abbildung 4. • • Abbildung 4 Es beginnt beim Leistungsbedarf (wie viel Luft oder Wärme, Kälte, Wasser brauche ich wirklich, bei welchem Druck funktioniert meine Maschine, wie lange am Tag), es geht weiter zum Verteilnetz (welche Rohrund Kanaldurchmesser, welche Fliessgeschwindigkeit), zum richtig ausgelegten effizienten Ventilator/Pumpe/Kompressor, die Transmission und das Getriebe. Erst jetzt geht es um die Leistungslieferung (effiziente und richtig dimensionierte Motoren und zum Frequenzumrichter). Motor Systems Tool ( Quelle: www.motorsystems.org) Die Technische Spezifikation für Wirkungsgradtests bei Frequenzumrichter-getriebenen Motoren IEC 60034-2-3 steht vor der Fertigstellung. Damit wird ein erster Schritt zur integrierten Effizienz eines Systems möglich. Energiemanagement-Systeme In Zukunft braucht es ein Energiemanagement-System auf der Basis von ISO 50001, das in den Betrieben sicherstellt, dass genügend ausgebildetes Personal vor Ort zur Verfügung steht, damit jährliche Verbrauchsanalysen vorliegen, regelmässige Effizienzziele gesetzt werden und anhaltende Effizienzinvestitionen stattfinden können. Nur mit gut ausgebildetem technischem Personal in den Fabriken können die Elektrizitätseinsparungen realisiert werden, von denen schon lange gesprochen wird. Information: www.topmotors.ch Conrad U. Brunner, Jürg Nipkow, Rolf Tieben, Rita Werle: Energieeffiziente elektrische Antriebe, in: Bulletin Electrosuisse/VSE Nr. 8/2012, Fehraltdorf 2012 61 Motor Summit 2012 Zürich, Schweiz Schweizer Energieeffizienzpolitik nach Fukushima Daniel Büchel Bundesamt für Energie BFE Mühlestrasse 4, 3063 Ittigen Postadresse: 3003 Bern [email protected] www.bfe.admin.ch Ausganglage Im vergangenen Jahr haben Bundesrat und Parlament beschlossen, die Energiepolitik der Schweiz neu auszurichten; dies mit dem Ziel, die Energieversorgung langfristig ohne neue Kernkraftwerke sicherzustellen. Im Rahmen der neuen Energiestrategie 2050 setzt der Bundesrat auf Energieeffizienz sowie auf den Ausbau der Wasserkraft und der neuen erneuerbaren Energien sowie – falls nötig – auf fossile Stromproduktion (Wärmekraftkopplungsanlagen, Gaskombikraftwerke) und Importe. Gleichzeitig gilt es, die Stromnetze aus- und umzubauen sowie die Energieforschung zu stärken. Zudem sollen Bund, Kantone, Städte und Gemeinden eine Vorbildfunktion übernehmen, die internationale Zusammenarbeit im Energiebereich intensiviert und die Möglichkeiten einer ökologischen Steuerreform überprüft werden. Informationen und Berichte zur Energiestrategie 2050 finden Sie unter www.energiestrategie2050.ch. Stromverbrauch Elektrogeräte Der Stromverbrauch der Elektrogeräte beträgt rund 44TWh (Stand 2011) und umfasst somit rund 75 % des gesamten Stromverbrauchs in der Schweiz. Massnahmen im Gerätebereich (insbesondere elektrische Antriebe) sind deshalb zentral für die Zielerreichung gemäss Energiestrategie. Abbildung 1 Stromverbrauchsverteilung 2011, Jahreskonferenz EnergieSchweiz 2012, Martin Sager Haushaltsgeräte, elektronische Geräte, Lampen Der Stromverbrauch von Haushaltsgeräten, elektronischen Geräten sowie der elektrischen Beleuchtung lässt sich mit verschiedenen Massnahmen reduzieren. Beispiele solcher Massnahmen sind die Energieetikette, welche den Konsumentinnen und Konsumenten den Kaufentscheid erleichtert, die Aus- und Weiterbildung (z.B. Ausbildung des Verkaufspersonals von elektrischen Geräten) oder Kommunikationsanlässe wie z.B. der Energyday. Als direkte Folge dieser Massnahmen erweitert sich das Angebot an effizienten Geräten Jahr für Jahr. Dass der Stromverbrauch dennoch nicht oder nur beschränkt reduziert werden kann, ist auf gegenläufige Entwicklungen, so beispielsweise die immer grössere Anzahl Geräte sowie das 62 Motor Summit 2012, Zürich, Schweiz Bevölkerungswachstum zurückzuführen. Weiterhin ist es aber das Ziel, die Mengenausweitung mittels Effizienzmassnahmen mindestens zu kompensieren. Industrielle Systeme (elektrische Antriebe) Der Anteil des Sektors Industrie und Dienstleistungen am Gesamtenergieverbrauch beträgt ca. 35% . Der Anteil am Elektrizitätsverbrauch liegt mit 60% deutlich höher. Die Effizienzpotenziale in den Unternehmen werden heute zu einem wesentlichen Teil mittels Zielvereinbarungen realisiert. Rund 2‘200 Unternehmen (45% des Energieverbrauchs) sind in systematische Optimierungsprozesse eingebunden. In der Schweiz gibt es aber rund 300‘000 Unternehmen. Dies bedeutet, dass grosse Potenziale noch brach liegen. Eine Studie (HSLU/Fraunhofer) schätzt das Einsparpotenzial auf 30%. Aus Sicht der Unternehmen sind nur ca. 15% effektiv realistisch. Entscheidend für die Umsetzung sind der Energiepreis, die finanzielle Relevanz des Energieverbrauchs, die internen Payback-Vorgaben, aber auch das Wissen über die Effizienzpotenziale. Das BFE bzw. EnergieSchweiz bauen auf den bestehenden Massnahmen auf und entwickelt diese kontinuierlich weiter. Abbildung 2 Massnahmenportfolio I+DL (Auswahl), Jahreskonferenz EnergieSchweiz 2012, Martin Sager Nachdem sich die Zielvereinbarungen im hoheitlichen Teil in der Vergangenheit vor allem auf die CO2-Reduktion konzentrierten, soll im Sinne der Gesamtenergieeffizienz verstärkt auch die Stromeffizienz angegangen werden (inkl. Rückerstattung Netzzuschlag als finanzieller Anreiz). In der freiwilligen Welt ist es das Ziel, auch kleinere Unternehmen in kontinuierliche Optimierungsprozesse einzubinden (freiwillige Zielvereinbarungen und/oder Energiemanagement). Parallel dazu sollen die bestehenden Angebote ergänzt und teilweise verstärkt werden. Beispiele dazu sind die Weiterentwicklung der Pinch-Methode (inkl. Förderung) sowie die Erarbeitung von Branchenlösungen oder die Umsetzung von Kommunikationskampagnen. Effizienzvorschriften Ziel bei den Effizienzvorschriften gemäss Energieverordnung Anhang 2 ist es, die Entwicklungen in der EU kontinuierlich in CH-Recht zu übernehmen und bei Bedarf auch weiter gehende Anforderungen zu festzulegen. Dieses Vorangehen erfolgt in enger Zusammenarbeit mit den betroffenen Stakeholdern. Insbesondere im Bereich der elektrischen Motoren wird im Hinblick auf die bevorstehende EnV-Revision eine entsprechende Verschärfung geprüft. 63 Motor Summit 2012 Zürich, Schweiz Erneuern – aber richtig! Dr. Sonja Studer Ressortleiterin Energie Swissmem Pfingstweidstrasse 102, 8037 Zürich [email protected] Die steigende Energienachfrage, zunehmende Kosten für den Klimaschutz und die Einführung oder Erhöhung energiegebundener Steuern und Abgaben lassen in Zukunft steigende Energiepreise erwarten. Damit wird ein sparsamer Umgang mit Energie für die Industrie immer wichtiger – sei es aus Kostenüberlegungen, Umweltschutzgründen oder aufgrund der veränderten Kundenanforderungen. Swissmem, der Branchenverband der Maschinen-, Elektro- und Metallindustrie, misst dem Thema Energieeffizienz daher eine grosse Bedeutung bei. In den meisten Industriebetrieben ist Strom der wichtigste Energieträger; im Durchschnitt deckt er rund 55% des Energiebedarfs in der Maschinen-, Elektro- und Metallindustrie (Quelle: Swissmem Energiestatistik 2011). Gemäss einer von Swissmem im Sommer 2012 lancierten Mitgliederumfrage erwartet rund die Hälfte der Unternehmen, dass ihr Stromverbrauch trotz Effizienzmassnahmen bis 2020 leicht oder deutlich ansteigen wird. In derselben Umfrage befragte Swissmem ihre Mitglieder nach den Auswirkungen stark erhöhter Strompreise auf ihre Unternehmen. Das Urteil fiel überwiegend negativ aus: Hohe Strompreise führen zu erhöhten Produktionskosten, geschmälerten Margen, Wettbewerbsnachteilen gegenüber ausländischen Konkurrenten, schwindenden Märkten für gewisse Produkte, und in Einzelfälle gar einer Auslagerung der Produktion. Positive Effekte wie eine erhöhte Nachfrage nach stromsparenden Produkten, Energieberatung und erneuerbaren Energietechnologien oder ein verbessertes Investitionsklima für Energieeffizienzmassnahmen machte nur eine Minderheit der befragten Unternehmen geltend. Bei diesen Überlegungen geht allerdings oft vergessen, dass letztlich nicht die Strompreise sondern die Stromkosten ausschlaggebend sind für die Wettbewerbsfähigkeit von Unternehmen – und dass die Unternehmen durchaus über Möglichkeiten verfügen, diese Kosten positiv zu beeinflussen: Zum einen, wenn auch in beschränktem Umfang, über den geforderten Strompreis, etwa durch eine strategisch geplante Strombeschaffung am Markt oder die Optimierung des Lastprofils. Den längeren Hebel bietet allerdings die Steuerung des Strombedarfs, denn nach wie vor bestehen in Industrie, Dienstleistungsunternehmen und Haushalten bedeutende Potenziale zur Verbesserung der Stromeffizienz. So hat etwa eine 2012 von der Energieagentur der Wirtschaft publizierte Studie aufgezeigt, dass Schweizer Unternehmen mit wirtschaftlichen Massnahmen bis 2020 rund 20% Strom einsparen können (Quelle: «Stromeffizienz der Schweizer Wirtschaft – Auswertung und Szenarien aus der Erfahrung der EnAW», TEP Energy GmbH im Auftrag der EnAW, 2012). Aber warum werden all diese Potenziale nicht bereits genutzt, wenn sie doch wirtschaftlich sind? Dies liegt vor allem daran, dass viele der Barrieren, die Unternehmen an der Umsetzung von Massnahmen hindern, nicht finanzieller Natur sind. Wer seine Potenziale ausschöpfen will, muss sich erst dieser Hindernisse bewusst werden, um sie sodann gezielt zu überwinden. Im Bereich der Energieeffizienz sind die Hürden mannigfaltig. Zu ihnen zählen etwa Zeitmangel und administrative Überlastung (v.a. in KMU), eine mangelnde Übersicht über die Einspar- und Unterstützungsmöglichkeiten, ein starker Konkurrenzdruck durch anderweitige Investitionen, verteilte Entscheidungsbefugnisse (InvestorNutzer-Problem), lange Erneuerungszyklen bei Investitionsgütern und überhöhte Renditeerwartungen – gerade in wirtschaftlich schwierigen Zeiten. Eine der grössten Hürden dürfte jedoch der hohe Transaktionsaufwand zur Identifikation und Umsetzung von Massnahmen darstellen. 64 Motor Summit 2012, Zurich, Switzerland Um die sinnvollsten Massnahmen in einem Produktionsbetrieb aufzufinden, muss die Anlage systematisch auf die verbrauchsrelevanten Schlüsselfunktionen hin durchleuchtet werden. Produktionsmaschinen sind vielfach kundenspezifische Speziallösungen, deren verbrauchsrelevante Schlüsselfunktionen in der Regel wesentlich schwieriger aufzufinden sind als bei einfachen Elektrogeräten wie einem Kühlschrank oder einer Waschmaschine. Einzelne Empfehlungen und Standardmassnahmen erschliessen bei Produktionsbetrieben oft nur einen kleinen Teil des Potenzials. Erst eine Systembetrachtung öffnet den Blick für die vorhandenen Möglichkeiten. Vielerorts führt letztlich nicht eine grosse Einzelmassnahme, sondern eine Summe kleinerer Massnahmen zum Ziel. Sind die Einsparmöglichkeiten einmal erkannt, lassen sie sich oft mit verhältnismässig geringem Aufwand realisieren. Ein Energiemanagementsystem bietet eine ideale Grundlage, um die verschiedenen Verbraucher und ihr Verhalten zu erkennen und einen kontinuierlichen Verbesserungsprozess in Gang zu bringen. Seit 2011 bietet die Norm ISO 50‘001 hierfür eine standardisierte Grundlage. Doch auch Unternehmen, die nicht über ein formales Energiemanagementsystem verfügen, können sich mit Unterstützung von Checklisten oder Energieberatern ein systematisches Bild ihrer Anlagen und Verbesserungspotenziale verschaffen. Um Unternehmen bei dieser Systembetrachtung zu unterstützen, hat Swissmem in Zusammenarbeit mit zahlreichen Mitgliedunternehmen Planungshilfen für energieeffiziente Produktionsmaschinen entwickelt. Diese greifen typische und häufig anzutreffende Fragestellungen auf und beschreiben ein mögliches Vorgehen zur Optimierung. Die drei bisher erarbeiteten Planungshilfen beinhalten die Themen «Vermeidung von Betrieb ohne Nutzen», «Energiemonitoring» und «Abwärmenutzung bei Produktionsmaschinen». Nach der Identifikation und Umsetzung von Energieeffizienzmassnahmen darf die Erfolgskontrolle nicht fehlen. Nur wer den Effekt seiner Massnahmen regelmässig und langfristig überprüft, hat Gewähr, dass seine betrieblichen Optimierungen die gewünschte Wirkung entfalten und die geplanten investiven Massnahmen bei anstehenden Erneuerungszyklen tatsächlich umgesetzt werden. Bei Erneuerungen und Neubauten lohnt es sich, von Anfang an den Einbau von Energiezählern einzuplanen. So lässt sich der Energieverbrauch der relevanten Prozesse zukünftig viel einfacher unter Kontrolle halten. Auch eine formale Zielvereinbarung kann helfen, die Übersicht zu wahren und die notwendige Disziplin zur Umsetzung der Effizienzmassnahmen aufzubringen. Wenn Unternehmen sich beispielsweise im Rahmen der Energieagentur der Wirtschaft (EnAW) zu Energieeinsparungen verpflichten, können sie sich erst noch von Energieabgaben befreien lassen – was wiederum ein willkommenes Argument für die Geschäftsleitung darstellen dürfte! 65 Motor Summit 2012 Zürich, Schweiz Gesetzliche Anforderungen an elektrische Antriebe Fabrice Bugnon Bundesamt für Energie 3003 Bern [email protected] Ausganglage Wussten Sie, dass elektrische Antriebe in der Schweiz fast 50% des Elektrizitätsverbrauchs ausmachen? Wussten Sie, dass diese im Industriebereich häufig bis zu 70% des elektrischen Verbrauchs ausmachen? Wussten Sie, dass der Verbrauch mit effizienteren Motoren und optimiertem Betrieb, bis zu 30 % reduziert werden kann? Sowohl effiziente Motoren als auch die Betriebsoptimierung sind wichtig. Diese Präsentation legt den Schwerpunkt auf die Effizienz der Motoren, spezifisch auf die Wichtigkeit der Vorschriften als Mittel für die Zielerreichung der Energiestrategie 2050. Gesetzliche Grundlagen Um Vorschriften einzurichten, sind 3 gesetzliche Niveaus erforderlich. Das erste Niveau ist das Vorkommen eines Artikels in der Bundesverfassung. In diesem Fall ist der Artikel 89 Energiepolitik Abs.3. relevant. Mit diesem erlässt der Bund Vorschriften über den Energieverbrauch von Anlagen, Fahrzeugen und Geräten. Das zweite Niveau ist das Gesetz, das den Bundesverfassungsartikel präzisiert. Das Energiegesetz, speziell Artikel 8, bildet die gesetzliche Grundlage für Anforderungen an serienmässig hergestellte Anlagen, Fahrzeugen und Geräten. Zu diesen Anforderungen gehören: • • Vorgaben für die Deklaration, z.B. Energieetikette Anforderungen an die Energieeffizienz Das dritte Niveau ist die Energieverordnung, die die Anforderungen konkretisiert. Für Elektromotoren ist insbesondere der Anhang 2.10 von Bedeutung. Zeitliche Entwicklung der Effizienzvorschriften Vor der Änderung des Energiegesetzes im Jahr 2007 waren Effizienzvorschriften nur möglich, wenn vorgängig der freiwillige Weg beschritten wurde. So hat der Bereich Elektrogeräte des Bundesamtes für Energie (BFE) in den Jahren 2003 und 2004 mit dem damaligen Schweizerischen Automatik Pool (SAP, heute swissT.net) eine Vereinbarung zur Förderung der effizientesten Elektromotoren ausgehandelt, die im Dezember 2004 unterzeichnet wurde. Das Ziel war, den Anteil der eff1-Motoren zu steigern. Im Jahr 2008 wurden die zwingenden Effizienzvorschriften für die Schweiz erarbeitet, zuerst noch auf der Basis der Klassen eff3, eff2, eff1 für die Effizienzklassierung der Motoren. Sowohl der geänderte 66 Motor Summit 2012, Zürich, Schweiz Art. 8 des EnG als auch die nicht erfüllte Vereinbarung bildeten die nötige gesetzliche Basis. Kurz vor dem Beschluss der öffentlichen Anhörung der EnV-Revision konnte auf die neuen Klassen gemäss IEC 60034-30 IE1, IE2, IE3 umgestellt werden. Die EU hatte in der Zwischenzeit die Ausarbeitung von Mindestanforderungen für Motoren beschlossen. Ein erster Entwurf lag nun vor, mit Beginn der Mindestanforderungen Mitte 2011. So lange wollte die Schweizer Gesetzgebung allerdings nicht mehr warten. Am 24. Juni 2009 hat der Bundesrat folgende Mindestanforderungen beschlossen: • • IE1 ab Januar 2010 IE2 ab Juli 2011 Am 19. Oktober 2011 hat der Bundesrat die Synchronisation mit den EU-Vorschriften per Januar 2012 beschlossen. In der Schweiz war vorher der Geltungsbereich weiter gefasst, es waren weniger Ausnahmen vorhanden. Mindestanforderungen Die Mindestanforderungen für Motoren sind wie folgt: • • • Aktuell: Ab 2015: Ab 2017: 7.5 kW - 375 kW 0.75 kW - 375 kW Mindestens IE2 Mindestens IE3 oder IE2 + Frequenzumrichter Mindestens IE3 oder IE2 + Frequenzumrichter „Motor“ wird als ein eintouriger Dreiphasen-50-Hz-oder -50/60-Hz-Käfigläufer-Induktionsmotor mit folgenden Eigenschaften definiert: • 2- bis 6-polig • Nennspannung UN bis 1 000 V • Nennausgangsleistung PN zwischen 0.75 kW und 375 kW • für Dauerbetrieb ausgelegt. Massgebliches Rechtsdokument ist die Energieverordnung, speziell Anhang 2.10, mit Verweis auf die Europäische EG-Verordnung 640/2009. Wie geht es weiter? Seit den Ereignissen in Japan Anfangs 2011 wird noch mehr Energieeffizienz verlangt. Unter anderem wurde auch zur Kenntnis genommen, dass die USA betreffend Motoreneffizienz der Schweiz voraus sind. Wegen dem grossen Anteil der elektrischen Energie, die bei elektrischen Antrieben verbraucht wird, wird inzwischen die Energieeffizienz der Elektromotoren stärker beachtet. Die Absicht besteht, ab 2015 generell IE3 vorzuschreiben, bereits für die ganze Leistungsbandbreite und unabhängig von einem eventuell vorhandenen Frequenzumrichter. Die Schweiz wird damit auch bei dieser Gerätekategorie der EU ein Schritt voraus sein, wie es bereits ab 2010 der Fall war und wie es für mehrere andere Gerätekategorien gilt. 67 Motor Summit 2012 Zurich, Switzerland Energy Management Systems Heinz-Jochen Poremski, Referat Klimaschutz und Energieeffizienz, Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit Bundesrepublik Deutschland ISO Standard 50001 Energy Management Systems (EnMS) Since July 2011 the ISO Standard 50001 Energy Management Systems (EnMS) came into force and it caused a considerable interest and involvement of quite a number of enterprises and organisations to implement it within their organizations. This is mostly due to the drastically increased energy prices in those countries which have a full-cost coverage for energy productions and fuels. Furthermore, financial incentives like tax reductions for energy intensive industries and exemptions from the Energy Feed-In Tariffs (Regulation on the Promotion of Renewable Energy) leads in Germany to further increased demand to introduce an Energy Management System within their respective organizations. In most cases an Energy Audit is the start-off for such a decision to introduce an Energy Management System. It clearly shows the potential energy and cost savings when introducing an EnMS. If there are sufficient energy saving potentials available, a change or modifications/upgrade of the technical systems and products is feasible, economically meaningful and the implementation can be reached in shorter terms, then such a decision will be strongly supported. The principle concept is a systematic, fully described and recorded process upon data, all relevant technical and system-related information and energy users within the organizations. A so-called Baseline needs to be established and the goals for energy savings, type and amount of primary energy, fuels and electric energy are to be determined. So the assessment, the recommendations for improvement and the specified measures within the technical systems will be worked out. The system – and organization-related changes and modifications in the organization structure and process need to be implemented. The feed-back, the training of personnel, the functional control and monitoring are also included in this full- scale process. The successful accomplishment of the self-defined objectives in Energy savings need also to be measured and assessed. Furthermore a continual improvement process needs to be installed. The next level of objectives for further energy savings will be determined by the organization itself and the monitoring of progress and achievement to be performed. The following scheme illustrates the principle and cyclic process of Energy Management: Energy Management System Model Plan, DO, Check, Act - PDCA- Cycle ( Source: ISO Standard 50001 - 2011) The following Steps are included in this process: 68 Motor Summit 2012, Zurich, Switzerland 1. Plan Establishing energy-saving targets, determining the strategy, identifying measures and responsibilities, providing the necessary resources, preparing the action plan. 2. Do Establishing management structures for maintaining a continuous process, undertaking improvement measures (for example efficient technologies/procedures). 3. Check Reviewing the level of target achievement and the effectiveness of the EnMS, collecting new ideas via energy audits, if necessary, consulting an external expert. 4. Act Strategic optimisation by consolidating the current energy data, audit results and new information, evaluating the progress with the help of current energy market data, deriving new objectives. Activities can take place in parallel; even the decision on which to begin an activity depends on the conditions in the respective company. When compared to selective measures (ad-hoc energy management), continuous application of this process clearly reduces the energy-related costs of a company. An external Audit and Certification may be affiliated. In case of full compliance with the ISO 50001 a certificate and a seal / logo will be handed over. Energy savings through Energy Management In Germany the overall estimated energy savings potential for the industry is about 40 % less than the existing baseline situation. Mostly technical products and appliances such as motors, pumps, compressors, air conditioning, lighting but also cooling and heating supply and their use-dependent control contribute at most for achieving these energy savings. The following levels of energy end-use might be considered in a differentiated way in order to identify the major influential parameters of the whole system: • the products and extended products as part of the technical system • the system level and the demand-driven control of the technical system • the energy savings which can be achieved through a smart Management and its permanent monitoring, optimization and maintenance Some examples of the presentation show that there are considerable energy savings possible and the pay back time is even very reasonable and sometimes in a range from 1 to 2 years. So it can be summarized that the advantages for the organizations are as follow: • Considerable cost reduction • Short pay back time • Implementation and optimization of the system and management • Sustainable management and production with respect to the environment and economic future development This will lead to a number of follow-up advantages for these organizations and enterprises such as: • Increased competitiveness on the national, EU common market and global markets • Highlighting the potentials for innovation, quality management and quality products • Improved access to B2B markets and system manufacturers such as car producers • Downstream Marketing will be supported by an established Management system The ISO Standard 50001 on ‚Energy Management’ has a number of structural similarities with ISO 14001 ‚Environmental Management’, ISO 9000 ‚Quality Management’ and the EU- EMAS-Eco Management and Audit Scheme. Those organisations which already have one such management system incorporated will have a facilitated access and implementation process. The ISO 50001 Energy Management System will also offer opportunities for the co-workers in terms of qualification and closer involvement of the technical and quality management processes. On the other hand this also supports a full and in-depth implementation and quality improvements. 69 Motor Summit 2012 Zürich, Schweiz Bessere Antriebe Rolf Gloor Gloor Engineering CH-7434 Sufers [email protected] Systembetrachtung und Wirtschaftlichkeit In den meisten Antriebsystemen verursachen die elektrischen Motoren nur einen kleinen Teil der Verluste. Die grossen Möglichkeiten zur Verbesserung der Energieeffizienz liegen im Bereich der Anwendung und der Lastmaschine. Energieeffizienz, welche auf teureren Komponenten beruht, muss sich auch auszahlen. Die Rechnung ist einfach. Die Mehrkosten müssen die Kosten der eingesparten Verlustleistung während der Nutzungszeit decken. Die zusätzliche Graue Energie und der Entsorgungsaufwand sollte auch berücksichtigt werden. Abbildung 1: Systembetrachtung (energie.ch) Unterteilt man die verschiedenen Antriebsanwendungen nach ihrer natürlichen Nutzungszeit, so ergeben sich 3 Gruppen. In der ersten Gruppe laufen Motoren weniger als 1000 Stunden. Dazu gehören vor allem Werkzeuge und Hilfsantriebe. Die mittlere Gruppe hat eine Nutzungszeit im Bereich der Autos um 4000 Stunden. Hier können je nach Auslastung und Kosten energieeffiziente Antriebe schon wirtschaftlich sein. In der dritten Gruppe mit über 10‘000 Stunden Nutzungszeit zahlen sich bessere Antriebe aus. Die meisten Infrastruktureinrichtungen wie Wasserversorgung, Abwasserentsorgung, Lüftung, Kälte, Heizung, Druckluft usw. sowie einige Produktionsanlagen sind typische Anwendungen dazu. Elektromotoren Elektrische Maschinen haben eigentlich einen sehr guten Wirkungsgrad, wenn man sie mit anderen Motoren und Lastmaschinen vergleicht. Wie in der Technik üblich, sind kleine Systeme weniger energieeffizient als grosse. Da sehr Antriebe meistens sehr lange laufen und auch speziell für eine Anwendung hergestellt werden, wurde die Energieeffizienz bisher schon berücksichtigt. Bei den anderen Antrieben wurde versucht, mit minimalen Materialkosten maximale Leis- Abbildung 2: Wirkungsgrad von guten Motoren (energie.ch) tung aus dem Motor rauszuholen. Der Motor wird bei der Auslegung bis an die Grenze seiner zulässigen Maximaltemperatur dimensioniert, was vor allem bei kleinen Antrieben sehr schlechte Wirkungsgrade ergibt. 70 Motor Summit 2012, Zürich, Schweiz Motorenkonstruktion Die eigentliche Kenngrösse eines Elektromotors ist das Drehmoment, welches er dauernd abgeben kann. Es ist proportional zum Ankerstrom, der magnetischen Flussdichte und bei Innenläufern zum Rotorvolumen. Der Strom verursacht in den Leitern Wärmeverluste, welche meistens den grössten Einfluss auf den Motorenwirkungsgrad haben. Mit einem grösseren Motor und oder einem grösseren Leiterquerschnitt kann man diese Verluste reduzieren kann. Abbildung 2: Magnetisierungskennlinien (energie.ch) Die magnetische Flussdichte ist durch die verfügbaren Materialien limitiert. Durch das Angebot von neuen starken Magnetmaterialen wurde die Motorenkonstruktion revolutioniert. Vor allem kleine Gleichstromantriebe und kleine Synchronmotoren erreichen durch den Einsatz von Selten Erden Magneten ohne Wärmeverluste durch eine Erregerspule eine hohe magnetische Flussdichte und somit tolle Wirkungsgrade. Ein weiterer wichtiger Schritt zu besseren Antrieben ist der Einsatz von Computerprogrammen zur Berechnung und Optimierung der magnetischen, thermischen und mechanischen Verhältnisse in Motoren. Zusammen mit Leistungselektronik und ausgeklügelter Regelungstechnik können heute Antriebe mit hoher Drehmomentdichte, mit hohen Drehzahlen und auch einem sehr guten Wirkungsgrad gebaut werden. Je nach Materialaufwand und Stückzahlen auch zu marktfähigen Preisen. Antriebssystem Der Wirkungsgrad eines Antriebes vom Netz bis zur Last wird nicht nur vom Motor beeinflusst, sondern auch vom Umrichter, den Kabeln und wenn erforderlich vom Getriebe. Wie beim Motor ist für die Verbesserung der Energieeffizienz die alleinige Beachtung des Wirkungsgrades im Nennpunkt nicht optimal. Viele Antriebe werden selten bis nie mit dem Nenndrehmoment belastet. Zusätzlich kann die Drehzahl in einem weiten Bereich verändert werden. Bei der Antriebsauslegung sollten die Betriebsbereiche und deren Verweildauer berücksichtigt werden. Ein guter Antrieb hat eine geringe Leerlaufleistung. Bei hohen Nutzungszeiten ergeben sich auch beim Frequenzumrichter, beim Kabel und vor allem auch beim Abbildung 3: Wirkungsgrad eines 7.5 kW Asynchronmotors mit Umrichter 0.8 kW Nennverluste und 0.4 kW Leerlaufverlust. *mit 0.2 kW Leerlaufverluste (energie.ch) Getriebe sehr rentable Möglichkeiten, die Verluste zu reduzieren. Bei einer Nutzungszeit von zum Beispiel 40‘000 Stunden kann für jedes eingesparte Watt Verlust ein Betrag von bis zu 6 Franken investiert werden. 71 Motor Summit 2012 Zürich, Schweiz FU: Potentiale heben, Fallstricke vermeiden Michael Burghardt Danfoss GmbH Carl-Legien-Str. 8, 63073 Offenbach, Deutschland [email protected] Energieeffiziente Antriebssysteme benötigten Know-how Energieeffiziente Antriebssysteme zu entwickeln und einzusetzen, stellt den Anwender vor weitreichende Aufgaben. Er kann sich nicht darauf verlassen, dass sich allein schon die Wahl eines möglichst effizienten Motors oder der Einsatz eines Frequenzumrichters positiv auf die Energiebilanz auswirkt. Prinzipiell lässt sich sagen, dass sich bei Anwendungen mit quadratischem Moment, wie Pumpen und Lüfter, Umrichter fast immer rechnen. Ähnliches gilt für Kompressoren, z.B. in Kühlkreisläufen. Der Einsatz eines Umrichters rechnet sich in diesen Applikationen in der Regel schon in 1-2 Jahren, manchmal sogar noch schneller. Die Eigenschaften der betriebenen Prozesse müssen Anwender dabei allerdings immer beachten. So kann eine falsche Regelung bei Kältekompressoren mehr Energie vernichten als sparen. Oder verzichtet der Anwender bei Pumpen, die Gemische aus Feststoffen und Flüssigkeiten pumpen, auf eine Mindestdrehzahl, setzen sich Feststoffe in den Leitungen und Pumpen ab. Bei Anwendungen mit konstantem Lastprofil, beispielsweise Förderbänder für Schüttgut, bleibt der Momentenbedarf über die Drehzahl meist annähernd gleich. Lassen sich allerdings der Drehmomentbedarf oder die Drehzahl innerhalb des Produktionsprozesses reduzieren, verringert sich der Energiebedarf linear. Zusätzliche positive Nebeneffekte einer reduzierten Drehzahl sind geringerer Verschleiß und somit eine längere Lebensdauer der mechanischen Komponenten. Dies resultiert nicht zuletzt in weniger Aufwand bei Wartung und längeren Serviceintervallen der Maschine. Bei Anwendungen mit quadratischem Momentverlauf nimmt die Leistung kubisch mit der Drehzahl ab Bei Konstantmomentanwendungen ist die Leistung proportional zur Drehzahl und zum Drehmoment Bei der Zusammenstellung des Antriebstrangs muss der Anwender darauf achten, dass der betriebene Motor für die gepulste Ausgangsspannung geeignet ist. Hierfür sollte er die Grenzwerte der IEC 60034-17 und IEC 60034-25 einhalten. Kommt ein Motor ohne speziell gekennzeichnete Isolation zum Einsatz, zeigt die Erfahrung, dass ein Motor entweder bei Umrichterbetrieb nach 1-3 Tagen einen Defekt aufweist, oder sonst in der Regel seine normale Lebensdauer erreicht. Sollten Bedenken bezüglich der Isolationsfestigkeit eines Motors für FU-Betrieb bestehen, können Anwender Sinusfilter (Preis ca. 30 % des Umrichters) oder die günstigeren du/dt-Filter (Preis ca. 15 % des Umrichters) 72 Motor Summit 2012 Zürich, Schweiz verwenden. Gerade bei sehr alten Motoren sichern diese Filter einen zuverlässigen Betrieb der Anlage und daher lohnt sich ihre Anschaffung. Besonders kritisch, da oft vernachlässigt, ist die Betrachtung des Umrichtereinflusses auf das speisende Netz. Wie Energiesparlampen nehmen auch Frequenzumrichter aufgrund des Gleichrichters im Eingangskreis den Strom nicht sinusförmig aus dem Netz auf. Diese nicht sinusförmigen Ströme erzeugen in den Netzen Oberschwingungen. Ein zu großer Oberschwingungsgehalt kann dazu führen, dass beispielsweise empfindliche elektronische Steuerungen, Computer und Regelgeräte nicht mehr einwandfrei funktionieren oder vorzeitig ausfallen. Gute Filter zur Reduzierung von EMV-Störungen und Oberschwingen machen ungefähr 15 %-20 % Mehrkosten in den Geräten aus. Deshalb bieten einige Hersteller sie separat an oder setzen auf kostengünstige Technologien, die z. B. Netzrückwirkungen in den nicht genormten Frequenzbereich von 2 bis 9 kHz schieben und/oder sich negativ auf das Lastverhalten des Motors auswirken. Der Anwender sollte nicht davor zurückschrecken, Informationen über die Vor- und Nachteile der unterschiedlichen Filtertypen bei den Umrichterherstellern einzufordern. Als Richtwert bei den Anschaffungspreisen für IE3-Motoren werden oft 25-30 % höhere Beträge genannt als für IE2-Motoren. Eine ähnliche Einschätzung für Umrichterpreise ist u.a. aufgrund unterschiedlichster Schutzarten, Überlastfähigkeiten und der beschriebenen Kosten für Filtermaßnahmen schwer zu treffen. Für eine Abschätzung kann der Anwender davon ausgehen, dass das Gerät etwa doppelt so viel kostest wie der Motor (Quelle: EuP, Lot 30 Task 2-draft). Laut Frost & Sullivan auf www.drives.co.uk sinken die Umrichterpreise in einigen Bereichen pro Jahr um bis zu 3 %. Wird ein Drehstromasynchronmotor mit einem Frequenzumrichter betrieben, bedeutet diese für das gesamte Antriebssystem erst einmal höhere Verluste. Die Wirkungsgrade bei Umrichtern selber liegen je nach Typ und Größe zwischen 90 % und 98 %. Im Teillastbetrieb nehmen die relativen Verluste im Umrichter zu und der Wirkungsgrad sinkt. Dieser Effekt ist bei dem Motor noch viel ausgeprägter. 100% 90% Umricher (FU) 80% eta 70% 60% Motor am FU 50% Motor und FU 40% 30% Beispiel 4kW Motor 20% 0% 20% 40% 60% 80% 100% n/nN Für Abschätzung der Umrichterverluste ist der Lastpunkt im Diagramm mit dem Nennwirkungsgrad des FU zu multiplizieren Der Umrichterwirkungsgrad sinkt im Teillastbereich wesentlich langsamer als der des Motors. Für eine Betrachtung des energetischen Einsparpotentials und der Payback-Zeit eines Antriebstrangs muss der Anwender das Lastprofil, die Verluste in den Filtermaßnahmen sowie die Last- und drehzahlabhängigen Verluste des Umrichters und des Motors kennen. Arbeitet der Antrieb in der Anwendung dauerhaft mit nahezu 100 % Drehmoment und Drehzahl, sollte der Anwender auf Motoren mit höheren Wirkungsgraden anstelle einer Drehzahlregelung mit Umrichtern setzen. Ist es bei einer Anwendung aber möglich, Drehmoment und Drehzahl im Betrieb für längere Zeit zu reduzieren, rechnet sich die Investition eines begrenzten Kapitals in einen Umrichter deutlich schneller, als in einen IE3Motor anstelle eines IE2-Motors. 73 Motor Summit 2012 Zürich, Schweiz Energieeffiziente Drucklufttechnik Jakob Spillmann, Masch.-Ing. FH KAESER Kompressoren AG Grossäckerstrasse 15, 8105 Regensdorf [email protected] Moderne energieeffiziente Druckluft-Technik gepaart mit grösstmöglichem Knowhow ermöglicht Anwendern erhebliche Kosteneinsparungen. In Europa werden jährlich rund 80 Milliarden kWh elektrische Energie für die Drucklufterzeugung verbraucht. Mindestens 30 Prozent dieser Energiemenge könnten durch Optimierung der Druckluftsysteme eingespart werden. KAESER Kompressoren konzentriert sich deshalb bereits seit einigen Jahren darauf, die Energieeffizienz bei der Druckluftanwendung zu steigern. Mit innovativen Produkten und Dienstleistungen sowie hervorragender Produktqualität helfen KAESER-Systemlösungen den Druckluftanwendern, ihre Wettbewerbsfähigkeit zu stärken. Im kontinuierlichen Dialog mit seinen Kunden entwickelt das Unternehmen zukunftsweisende Konzepte für die kontinuierliche Verbesserung der Gesamtwirtschaftlichkeit (Life-Cycle-Costs) und zur Erzielung höchstmöglicher Verfügbarkeit der Druckluftanlagen. Drei Möglichkeiten zur Energieeinsparungen: • moderne Technik -> IE3 Motoren • Druckluftsystemoptimierung • Wärmerückgewinnung Abbildung 1 Druckregelung an der Druckuntergrenze, KAESER Kompressoren AG Praxisbeispiel: Neue Druckluftzentrale in vier Jahren amortisiert Die Imbach & Cie AG in Nebikon / LU Imbach + Cie AG, Solutions in Metal, ist ein Betrieb der Massivumformung mit Sitz im luzernischen Nebikon. Das Unternehmen setzt Druckluft zum Antreiben von Lufthämmern (Schmieden), für Türantriebe der Öfen sowie für allgemeine Arbeiten (beispielsweise Schleifen) in der Abteilung Umformtechnik ein. Zusätzlich wird Druckluft für Werkzeugmaschinen in der mechanischen Bearbeitung benö- 74 Motor Summit 2012 Zürich, Schweiz tigt. Die grossen Schmiedehämmer sind sehr grosse Druckluftverbraucher mit ausgeprägten Lastspitzen. << Halbierung der Energiekosten durch Optimierung des Leerlaufbetriebes angepeilt. >> Der ganze Betrieb wird über ein einziges Druckluftnetz versorgt. Sechs wassergekühlte Kompressoren der Jahrgange 1961 bis 1977 waren aufgeteilt in zwei Kompressorenräume. Eine Auslastungsmessung hatte gezeigt, dass der Energieverbrauch der Kompressoren im Lastbetrieb teilweise geringer war als der Energieverbrauch im Leerlaufbetrieb. Eine Optimierung des Leerlaufanteiles auf den Stand der Technik würde die spezifischen Energiekosten somit beinahe halbieren. Die verschiedenen Massnahmen Durch das Aufteilen der Drucklufterzeugung in eine Hauptzentrale und eine Werkstattanlage wurde der Betrieb soweit optimiert, dass die grossen Kompressoren nur bei Schmiedebetrieb laufen. Für die Werkstatt genügt ein kleiner Kompressor mit 22 kW. Die Druckluftzentrale sieht einen Teillastkompressor, welcher mit einer Frequenzregelung ausgestattet ist, sowie jeweils zwei Mittellast- und zwei Grundlastkompressoren vor. Diese fünf Kompressoren werden über eine übergeordnete Druckbandregelung in einem minimalen Druckband gefahren. Dadurch kann nahe am benötigten Betriebsdruck gefahren werden. Die Betriebssicherheit ist auch bei einem Ausfall eines Kompressors in jedem Fall gewährleistet. Durch den Einsatz eines Kältetrockners mit Energiesparregelung wird nur die Energie verbraucht, welche für die Trocknung des momentanen Druckluftbedarfs notwendig ist. Durch den Einsatz luftgekühlter anstelle wassergekühlter Kompressoren sind die Wasserkosten (20'000 Franken im Jahr) für die Druckluft komplett weggefallen. Die Kompressorenabluft unterstützt im Winter die Heizung einer Betriebshalle. Die Druckluftleitungen waren bei der Erstellung bereits nach hohem Standard ausgeführt worden und konnten unverändert weiter betrieben werden. Leckagen wurde keine festgestellt. Betriebskontrollen wurden bereits in der Vergangenheit sorgfältig ausgeführt. Die wichtigsten Resultate Die Einsparungen an elektrischer Energie durch den Totalersatz der veralteten Drucklufterzeugung ist erheblich und betragt rund 15 % des gesamten elektrischen Energieverbrauchs der Firma. Investition total CHF 330‘000.- Einsparung Elektrizität p.a. 430 MWh/a Pay-Back-Zeit total 4 Jahre Die Umsetzung erfolgte in Zusammenarbeit mit: 75 Motor Summit 2012 Zürich, Schweiz Bessere Pumpen Thomas Staubli Hochschule Luzern Technik & Architektur Technikumstrasse 21, 6048 Horw [email protected] Zusammenfassung In der Präsentation werden die wichtigsten Fakten zur Auswahl und zum Einsatz von Förderpumpen vorgestellt, welche in einem neuen Merkblatt für Pumpen zusammengefasst sind. Bei der Systemauslegung ist darauf zu achten, dass die Anlage auf effektive Randbedingungen betreffen Wasserbedarf resp. Wärmebedarf, ausgelegt wird. In der Anlage selbst sollen die energetischen Verluste, soweit ökonomisch machbar, minimiert werden, was kurze Leitungen mit grossem Querschnitt und ein System ohne unnötige Drosseln und Bögen bedeutet. Bei der Pumpe und deren Antrieb ist ein variabler Betrieb in Betracht zu ziehen, d.h. die Wassermenge und der Druck ist, wenn sinnvoll, dem Bedarf anzupassen. Dies kann über eine Drehzahlvariation des Motors über einen Frequenzumrichter erreicht werden. Drosselregelung oder Stufenschaltungen führen zu Verlusten. Selbstverständlich sind die Antriebsleistung des Motors und die Drehzahl an die Pumpe und den Bedarf anzupassen. Dass Handlungsbedarf besteht, geht daraus hervor, dass der aktuelle Elektrizitätsverbrauch der Pumpen in der Schweiz total 4757 GWh/a beträgt. Darin ist der Verbrauch der Pumpen in Wasserkraftanalgen mit knapp 3000 GWh nicht eingerechnet (Abbildung 1). Bezogen auf den gesamten Elektrizitätsverbrauch der Schweiz (Endverbrauch) entsprechen diese 4757 GWh 8%. Da aufgrund der verschärften Energieverordnung ab 2013 nur noch hocheffiziente Umwälzpumpen verkauft werden dürfen und ab etwa 2015 auch strenge Vorschriften für grössere Pumpen gelten werden, wird der Elektrizitätsverbrauch dieser Pumpen zukünftig abnehmen. Wasserversorgungen 9% Abwasserreinigungsanlagen 6% Diverse 3% Industrie / Verarbeitendes Gewerbe 48% Umwälzpumpen übrige Haustechnik 13% Umwälzpumpen Heizgruppen 21% Abbildung 1: Elektrizitätsverbrauch von Pumpen in der Schweiz (Quelle: Nipkow 2011) 76 Motor Summit 2012 Zürich, Schweiz Die Kapazität der Pumpe muss auf das System, in welchem sie betrieben wird, abgestimmt sein. Hierzu ist eine Pumpe mit geeigneter Pumpenkennlinie und passendem Motor zu wählen. Die in einem System benötigte hydraulische Leistung hängt von den zu überwindenden statischen Höhen oder Drücken und den Strömungsverlusten in den Leitungen ab. Das System wird durch seine Anlagenkennlinie charakterisiert. Der sich einstellende Betriebspunkt entspricht dem Schnittpunkt der Pumpenkennlinie mit der Anlagenkennlinie (Abbildung 2). Abbildung 2: Schnittpunkt einer Pumpenkennlinie mit einer Anlagenkennlinie mit statischem Anteil (Pumpenmerkblatt 2012) Durch die Bewertung von bestehenden Pumpenanlagen lassen sich ineffiziente Aggregate orten und das Energieeinsparpotenzial abschätzen. Der Bewertung einer Pumpenanlage dienen Angaben zum Betrieb, Pumpenkennlinie, Volumenstrom, Systemdruck, Drehzahl, Stufenzahl und Eigenschaften des geförderten Fluides. Zur Erhöhung der Effizienz werden unnötige Pumpen abgeschaltet, überdimensionierte Pumpen werden ersetzt und, sofern sinnvoll, Frequenzumrichter für variable Drehzahl eingesetzt. Die Lastzyklen der Pumpe im Prozess zeigen das Energiesparpotenzial in jedem Arbeitspunkt. Mit einem drehzahlvariablen Antrieb kann für jeden Arbeitspunkt die optimale Energiezufuhr eingestellt werden. Zu beachten ist aber, dass dies im Allgemeinen nicht für Anlagenkennlinien mit hohem statischem Anteil gilt. Bei steilen Anlagenkennlinien, d.h. solchen mit hohem Verlustanteil in der Anlagenkennlinie hingegen ist der drehzahlvariable Antrieb bestens geeignet. 77 Motor Summit 2012 Zürich, Schweiz Effiziente Luftförderung Heinrich Huber Fachhochschule Nordwestschweiz, Institut Energie am Bau St. Jakobs-Strasse 84, CH-4132 Muttenz [email protected] Merkblatt Luftförderung Im Rahmen des Umsetzungsprogramms für effiziente Antriebssysteme wurde von S.A.F.E. ein Merk1 blatt zu energieeffizienter Luftförderung erstellt . Dieser Beitrag fasst wichtige Aspekte aus diesem Dokument zusammen. Grosser Energieverbrauch für die Luftförderung Ventilatoren verbrauchen 12.5% des schweizerischen Elektrizitätsverbrauchs, was etwa 7500 GWh/a entspricht. Der Löwenanteil davon (74%) fällt auf die Industrie. An zweiter Stelle (13%) folgen Dienstleistungsgebäude. Energiebedarf und Komponenten Der Energiebedarf für die Luftförderung berechnet sich mit: E= E qv ∆p t ηv ηtr ηm ηR q v ⋅∆p ⋅ t ηv ⋅ ηtr ⋅ ηm ⋅ ηR Elektrischer Energiebedarf in Wh 3 Luftvolumenstrom in m /s Gesamtdruckdifferenz in Pa Betriebszeit in h Wirkungsgrad des Ventilators Wirkungsgrad der Transmission Wirkungsgrad des Motors Wirkungsgrad der Regelung (Frequenzumformer) Wirkungsgradkette: Motor, Transmission und Ventilator (Bild Habasit) Luftvolumenströme und Betriebszeiten: Bedarfsregelung als wirksamste Massnahme Sowohl bei neuen wie auch bei bestehenden Anlagen werden oft zu hohe Volumenströme und zu lange Betriebszeiten angetroffen. Eine Auslegung auf die tatsächliche Nutzung und, bei variabler Nutzung, ein bedarfsgeregelter Betrieb, z.B. nach der Luftqualität, sind die mit Abstand wirksamsten Massnahmen zur Reduktion des Elektrizitätsverbrauchs. Druckverluste: Runde Leitungen sind optimal Die Druckverluste der Luftverteilung sind von der Strömungsgeschwindigkeit und der Formgebung 3 abhängig. Ab einer jährlichen Betriebszeit von 4000 h und einem Volumenströmen von über 1000 m /h lohnt es sich sowohl wirtschaftlich wie auch von der Grauen Energie her die Luftverteilung auf tiefere Luftgeschwindigkeiten auszulegen, als es die kantonalen Energievorschriften verlangen. Rechteckige Kanäle mit Seitenverhältnissen von z.B. 1:5 verursachen 50% grössere Druckverluste als runde Leitungen mit der gleichen Luftgeschwindigkeit. Ventilator: Der häufigste Betriebspunkt ist relevant Es genügt nicht, energetische vorteilhafte Bauarten (z.B. rückwärtsgekrümmte Radialventilatoren) 1 topmotors.ch Merkblatt 24: Luftförderung. Zürich, Dez. 2012 www.topmotors.ch 78 Motor Summit 2012, Zurich, Switzerland einzusetzen, der Ventilator muss auch im optimalen Betriebspunkt arbeiten. Massgebend ist dabei nicht der Dimensionierungsfall, sondern das gewichtete Mittel der verschiedenen Betriebszustände. Transmission: Die unterschätzten Verluste Bei Keilriemen bricht der Wirkungsgrad bei Teillast (z.B. bei Anlagen mit Bedarfsregelung) ein und kann unter 80% sinken. Flachriemen weisen ein deutlich gutmütigeres Teillastverhalten auf und fallen kaum unter 90%. Auch bei Nennlast erreichen sie 1 bis 4% höhere Wirkungsgrade als Flachriemen. Weitere Vorteile von Flachriemen sind der geringe Abrieb und die lange Lebensdauer. Die höheren Investitionen oder die Kosten für eine Umrüstung lohnen sich daher nicht nur wegen der Energieeinsparung, sondern auch wegen des geringeren Instandhaltungsaufwandes. Bei Anlagen mit drehzahlgeregelten Motoren sollen Direktantriebe eingesetzt werden. Dabei entstehen keine Transmissionsverluste. Bessere Motoren: Höhere Drehzahl beachten Bei einem Motorersatz soll die Effizienzklasse IE3 oder IE4 gewählt werden. Die besseren Wirkungsgrade gegenüber alten Motoren bedeuten weniger Schlupfverluste und damit geringfügig höhere Drehzahlen. Damit die elektrische Aufnahmeleistung gegenüber dem alten Motor nicht ansteigt, muss die Transmission angepasst werden (bestehende Keilriemen wenn möglich durch Flachriemen ersetzen). Bei Direktantrieben sind die Sollwerte der Drehzahlsteuerung anzupassen. Ja nach Typ des alten und neuen Motors liegt diese Drehzahlkorrektur im Bereich von 1% bis 5%. Frequenzumformer: Ja, aber mit Bedacht Bei Anlagen mit bedarfsabhängigen Volumenströmen sollen Drehzahlsteuerungen mit Frequenzumformern oder elektronisch geregelten Gleichstrommotoren eingesetzt werden. Bei häufigem Teillastbetrieb wird so der Energieverbrauch gegenüber einem einstufigen Betrieb um Faktoren reduziert. Der Wirkungsgrad von Frequenzumformern liegt typischerweise in einem Bereich von 90% bis 95%. Bei Anlagen, die vorwiegend auf Nennlast betrieben werden, ist daher der Einsatz von Frequenzumformern kritisch zu prüfen. Eine gut ausgelegte Transmission mit Flachriemen kann allenfalls zu einem besseren Wirkungsgrad führen und verursacht oft tiefere Investitionen. Spezifische Ventilatorleistung: Eine einfache Beurteilungsgösse 2 Die spezifische Ventilatorleistung (SFP ) erlaubt die kombinierte Beurteilung des Gesamtwirkungsgrades und der Druckverluste: pSFP = pSFP Pel qV Pel qv 3 Spezifische Ventilatorleistung in W pro m /h Elektrische Leistungsaufnahme, inkl. Frequenzumformer in W 3 Luftvolumenstrom in m /h In der SIA-Norm 382/1 finden sich Anforderungen an die SFP. Zum Beispiel liegt der Grenzwert von Zuluftventilatoren von Lüftungsanlagen mit Zulufterwärmung (ohne Be- oder Entfeuchtung, ohne Küh3 3 lung) bei 0,20 W/(m /h), bei Abluftventilatoren sind es 0,14 W/(m /h). Die SFP lässt sich bei Projekten, Offerten, Abnahmen und bei Analysen einfach überprüfen. Vorgehen bei bestehenden Anlagen Lüftungsanlagen sollen etwa alle 10 Jahre bezüglich Grundkonzept und Energieeffizienz überprüft werden. Die erste Phase bildet eine Sichtkontrolle. Wenn sich dabei ein relevantes energetisches Verbesserungspotential zeigt, erfolgt in der zweiten Phase eine Beurteilung anhand der Anlagendokumentation. Bei fehlenden oder unklaren Daten werden in der dritten Phase Messungen durchgeführt. 2 Specific Fan Power 79 Motor Summit 2012 Zürich, Schweiz Bessere Kälte, Energieeinsparung aus einem anderen Blickwinkel Raymond Burri Walter Wettstein AG, Kältetechnik Mattenstrasse 11, CH-3073 Gümligen [email protected] Blickwinkel aus verschiedenen Positionen Verdichter in Kälteanlagen und Wärmepumpen verbrauchen rund 14% der elektrischen Energie in der Schweiz. Effiziente Elektromotoren für grössere Maschinen sind bereits seit langem für diese Anlagen ein zentrales Thema. Es gilt den Fokus auf die gesamte Anlage zu erweitern und die Positionen wie Betriebsweise, Auslegung, Unterhalt sowie Regelung näher unter die Lupe zu nehmen. Kälteanlage, Wärmepumpe eine Energietransporteinrichtung Als Vergleich welche Aufgabe eine Kältemaschine oder Wärmepumpe übernimmt, kann ein Förderband zum Vergleich beigezogen werden. Energie wird (analog zB. Kies) von einem tiefem Niveau durch Zufuhr von elektrischer Energie auf ein höheres Niveau transportiert. Wie geht man es an Es macht Sinn die bestehenden Komponenten und deren Ersatz in den Energievergleich mit einzubeziehen. Wärmetauscher Flächen vergrössern, kleinere Druckverluste wählen, Freecooling Systeme bevorzugen. 80 Motor Summit 2012 Zürich, Schweiz Berechnung der Leistungsziffer COP Die Bedeutung der Leistungsziffer hilft uns die verschiedenen Systeme besser miteinander vergleichen zu können. COP in Funktion von Verdampfungs- und Kondensationstemperatur 10.0 Leistungsziffer COP 8.0 7.0 40 30 20 40 30 50 40 30 50 40 6.0 5.0 50 20 4.0 3.0 2.0 50 1.0 20 30 40 50 Kondensationstemperatur in °C 20 30 9.0 0.0 10 0 -10 -20 -40 Verdampfungstemperatur in °C Analyse der aktuellen Energieflüsse Am Beispiel einer Modernisierung wird das Energiesparpotential einer Produktionsanlage aufgezeigt. Verschiedene Praxisbeispiele geben Hinweise zum Weg und des Potentials in industriellen Systemen. 81 Motor Summit 2012, Zürich, Schweiz Förderprogramm Effizienz für Antriebssysteme Easy Rita Werle S.A.F.E. Gessnerallee 38a, CH 8001 Zürich +41 (0)44 226 30 70, [email protected] www.topmotors.ch/Easy Hintergrund 70% des Stromverbrauchs in der Industrie kommt von elektrischen Antrieben wie Pumpen, Ventilatoren, Kompressoren und mechanischen Antrieben. Die elektrische Energie für diese Antriebssysteme wird immer teurer und knapper. Obwohl technische Verbesserungen für die Steigerung der Energieeffizienz von Antriebssystemen wirtschaftlich sind, werden diese bisher nur in wenigen Fällen realisiert. Um Investitionen in energetisch effizientere Antriebssysteme zu fördern, hat die Schweizerische Agentur für Energieeffizienz S.A.F.E. in 2010 das Programm Effizienz für Antriebssysteme (Easy) im Rahmen der wettbewerblichen Ausschreibungen lanciert. Easy in Kürze Easy fördert energetische Verbesserungen bei Antriebssystemen in industriellen Betrieben, bei Infrastrukturanlagen und grossen Gebäuden, mit einem elektrischen Energieverbrauch von 10 bis 40 GWh/a. Methode 1 Easy geht gemäss der Methode „Motor-Check“ vor, die im Rahmen von Topmotors entwickelt wurde. In drei Schritten werden Vorabklärungen gemacht, um das Effizienzpotential bei Antriebssystemen zu beziffern (Potentialabschätzung), die zu bearbeitenden Antriebe zu identifizieren (Motorenliste), zu messen (Messungen) und schliesslich zu verbessern. Diese Voruntersuchungen sind zeit- und kostenaufwändig. Das Ziel von Easy ist, diese Barriere mit der Förderung von Potentialabschätzung, Motorenliste und den Messungen zu überwinden. Zudem werden Investitionen zur Steigerung der Effizienz (Umsetzung) zu 10% gefördert. Abbildung 1 Fördermodell Easy 1 Topmotors ist das nationale Umsetzungsprogramm von S.A.F.E. und EnergieSchweiz für verbesserte elektrische Antriebe. Topmotors stellt Merkblätter, Softwaretools und Projektierungsunterlagen unter www.topmotors.ch zur Verfügung. 82 Motor Summit 2012, Zürich, Schweiz Erkenntnisse Das Programm läuft bis 31.10.2013. Easy arbeitet zurzeit mit 5 Firmen, in verschiedenen Kantonen und mit unterschiedlichen Kerngeschäften - von Schokoladeproduktion, Milch - und Fleischverarbeitung bis hin zur Kehrichtverbrennung. Die Erkenntnisse zeigen verschiedene Problemzonen. Generell besteht ein Mangel an gut ausgebildeten Fachkräften, die in der Lage sind eine Systembeurteilung durchzuführen. Problemzonen in den Industriebetrieben: • Fehlende Ressourcen. Das innerbetriebliche Personal ist auf das Kerngeschäft, also die Produktion ausgerichtet. Es gibt weder genug Zeit, noch vorhandenes Know - How um sich mit der Effizienz der Antriebssysteme auseinanderzusetzen. • Begleitungsbedarf bei der Umsetzung. Das fehlende Effizienz - Know - How wird zum Teil durch externe Experten ins Haus geholt. Deren energietechnische Unterstützung spielt eine wichtige Rolle bei der Vorbereitung der Umsetzung, in der Diskussion mit Lieferanten, Maschinenbauern und Servicefirmen. 96.7% Investition Wartung & Unterhalt Elektrische Energie 1.0% 2.3% 11 kW IE3 4000 h/a 15 a Nutzungsdauer Kurzer Payback. Wenn die Payback Zeit einer Investition grösser als 3 Jahre ist, wird sie eher abgelehnt. Dabei wird der gesamte Lebenszyklus in den wenigsten Fällen in Betracht gezogen, obwohl speziell bei elektrischen Motoren deutlich über 90% der Lebenszykluskosten für Energiekosten anfallen und die Beschaffungskosten weniger als 10% ausmachen. Abbildung 2 Motor Lebenszykluskosten Problemzonen bei den Servicefirmen und Lieferanten: • Die Kundenbindung prägt das Verhältnis zwischen Kunden und Servicefirmen stark. Sie ist oft eine Hemmnis bei unkonventionellen Lösungen für bessere Effizienz (Maschinenbauer und Servicefirmen weigern sich ihre Produkte anzupassen, entziehen die Garantie). • Dies basiert oft auf einer begrenzten Kompetenz bei Effizienzverbesserungen. • In wenigen Fällen werden Konkurrenzofferten eingeholt. • IE3 steht noch nicht im Standardangebot und wird erst auf hartnäckige Nachfrage, mit langen Lieferzeiten (wenn überhaupt) offeriert. Lösungsansätze Die Erkenntnisse aus Easy haben S.A.F.E. zu der Schlussfolgerung gebracht, dass es für den systematischen Abbau der Barrieren und Problemzonen in der Industrie eine fokussierte Arbeit auf drei Gebieten braucht: 1. Ausbildung. Es braucht mehr Fachleute in den Betrieben, die sich mit den Fragen der energetischen Systemoptimierung bei elektrischen Antrieben auseinandersetzen können. 2. Energiemanagement. In den Betrieben müssen Strukturen und Prozesse geschaffen werden, damit das Thema "elektrische Energieoptimierung" auch bei der Geschäftsleitung an Bedeutung gewinnt. Die Ernennung eines Energiemanagers schafft die benötigte und noch fehlende Person, die ihre Zeit und Kompetenz für kontinuierliche Verbesserungsprozesse einsetzt und Verantwortung übernimmt. 3. Internationaler Austausch. Die Zusammenarbeit mit anderen Ländern ermöglicht es, erprobte Modelle, ausarbeitete Grundlagen und Materialien aus erster Hand zu studieren. Diese können dann eventuell in die Schweiz importiert und umgesetzt werden. 83 Motor Summit 2012 Zürich, Schweiz Mesurages et économies: application du programme EASY dans des industries Nicolas Macabrey Planair SA Crêt 108A, CH-2314 La Sagne [email protected] 1. Méthodologie Un entraînement électrique est une chaîne de composants très divers contribuant tous au rendement global. Le traitement optimum implique donc une vision systémique. Utilisation Réseau/transfo Convertisseur de fréquence Moteur Transmission, engrenage Organe entraîné Etranglement (clapet, vanne) Fig. 1 Exemple de bilan énergétique d’un entraînement électrique Dans un tel système, les potentiels d’économie sont multiples et conséquents: Exploitation du système: jusqu’à 50% Système entraîné: jusqu’à 30 % Introduction d’un variateur: jusqu’à 20% Moteur: jusqu’à 10-15% Transmission : quelques % Par les analyses et optimisations énergétiques, il s’agit aussi d’aller au-delà des composants et de répondre aux questions suivantes: Est-ce que le système satisfait les besoins réels? (exigences, normes) L’exploitation est-elle optimisée? (heures de fonctionnement, bases du réglage) Les composants sont-ils bien dimensionnés ? (travaillent-ils aux points de fonctionnement nominaux)? Comment sont gérées les variations de charge? Les composants ont-ils des rendements correspondants aux valeurs les plus élevées actuellement disponibles? (classe d’efficacité) Le programme EASY se base sur les étapes suivantes : Aide à la sélection des entrainements à mesurer (meilleurs potentiels) Analyse des données techniques (moteur, système, exploitation, réglages) 84 Motor Summit 2012 Zürich, Schweiz Mesurages des grandeurs électriques du moteur (Pact) et grandeurs représentatives du système (débit, pression, température, etc.) avec calcul de la puissance utile (hydraulique, aéraulique, mécanique) Analyse et traitement des mesurages Elaboration de mesures d’économies et rentabilité (moteur et/ou système) Mise en évidence des approfondissements nécessaires Synthèse et préconisations 2. Résultats de mesurages et analyses Les mesurages montrent souvent un rendement global modeste du fait du mode de réglage et du rendement effectif des composants (point de fonctionnement et classe d’efficacité). L’exemple cidessous concerne la pompe d’alimentation d’une chaudière à vapeur dont le débit est commandé par une vanne et qui comprend un retour vers la bâche. 12000 10000 8000 Phydraul [W] 6000 Pélec [W] 4000 2000 0 28.03.2012 09:36:00 28.03.2012 19:12:00 29.03.2012 04:48:00 Fig. 2 Pompe d’alimentation d’une chaudière à vapeur (en rouge Pact et en bleu Putile) Trois potentiels d’économie sont identifiés dans ce cas: 1) 2) 3) Remplacement du réglage mécanique (vanne et retour vers la bâche), Intégration du besoin max. réel (aujourd’hui le débit de la pompe est beaucoup plus grand que celui de la chaudière), Prise en compte de la répartition temporelle de la demande effective Deux variantes d’optimisation sont comparées: 1) recentrage de la pompe (redimensionnement) sur les débits effectifs (2 pompes dans le tableau), 2) utilisation d’un système multi-pompes avec enclenchement selon les besoins (3 pompes dans le tableau). Les résultats figurent ci-dessous. Variante Situation départ Variante 2 moteurs Variante 3 moteurs Consommation Économie [kWh/an] [kWh/an] Économie [CHF/an] Investissement Pay-back time [CHF] [an] 61'516 25'760 35'756 5'006 11'538 2.3 22'784 38'732 5'422 11'129 2 Tab. 1 Comparaison avant et après optimisation (2 variantes) 85 Motor Summit 2012, Zürich, Schweiz Antriebe messen vor Ort Rolf Tieben S.A.F.E. Gessnerallee 38a, CH 8001 Zürich +41 (0)44 226 30 70, [email protected] www.topmotors.ch/Easy Hintergrund Im Rahmen von Easy wurden bisher über 1'500 Motoren erfasst. Nach der Potentialabschätzung (Schritt 1) erfolgte das Erstellen der jeweiligen Motorenliste (Schritt 2). Die erfassten Angaben der Typenschilder sowie die Betriebsstunden pro Jahr sind in einer Datenbank abgelegt und werden für nationale und internationale Auswertungen und Analysen verwendet. Alter Es wurden Untersuchungen hinsichtlich des Alters der Antriebe gemacht. Die technische Lebensdauer (10 - 20 Jahre; abhängig von der mechanischen Nennleistung) wird in vielen Fällen deutlich überschritten. Motoren mit einem Alter von mehr als 40 Jahren sind keine Einzelfälle. Abbildung 1: Altersverteilung Motoren Frequenzumrichter (VSD) Weiter wurden Untersuchungen hinsichtlich der Verteilung von Frequenzumrichtern angestellt. Lediglich 14% aller erfassten Antriebe werden von einem Frequenzumrichter gesteuert. In der Regel werden Motoren nach dem Anlauf bei konstanter Drehzahl, lastunabhängig direkt am Netz betrieben. Bei schwankenden Belastungen oder Drehzahlen weisen Frequenzumrichter betriebene Motoren beim Energieverbrauch Einsparpotentiale von mehr als 20% auf. Abbildung 2: Verteilung Frequenzumrichter 86 Motor Summit 2012, Zürich, Schweiz Betriebsstunden Die Verteilung der Betriebsstunden, in Abhängigkeit der Grösse der Motoren, wurde ebenfalls untersucht. Die gleichmässige Verteilung der Motoren lässt keine grundsätzliche Aussage zu einem Zusammenhang zwischen der Motorengrösse und der Betriebsdauer pro Jahr zu. Abbildung 3: Betriebsstunden Messungen Im Rahmen von Schritt 3 des Easy Programms wurden in diversen Firmen bisher 75 ausgewählte Antriebe gemessen. Dabei werden Parameter wie Anlaufverhalten, Lastgang (Lastspitzen, Lastwechsel) und Betriebsdauer erfasst. Anhand der Messdaten kann zu jedem Antriebssystem eine ideale Optimierung ausgearbeitet werden. Die erfassten Messdaten sind zugleich die Basis für weitere Auswertungen. Lastfaktor Auswertungen zum Lastfaktor liefern Aufschlüsse zur Dimensionierung und zum Betriebspunkt der gemessenen Antriebe. Mit sinkendem Lastfaktor sinkt der Wirkungsgrad des Motors gemäss der Wirkungsgradkurve. Durch eine genaue Auslegung des Motors auf die Anwendung und deren Anforderung lässt sich das gesamte Effizienzpotential ausschöpfen und der Motor möglichst effektiv betreiben. Abbildung 4: Lastfaktor Zusammenfassung Die Vielzahl von Daten ermöglichen Aussagen zu diversen Parametern der Antriebe und liefern wichtige Erkenntnisse zu den heutigen Antrieben in der Industrie. • • • • Alter 56% der Motoren sind älter als ihre technische Lebensdauer, die zu alten Motoren sind im Durchschnitt 83% zu alt Frequenzumrichter Lediglich 14% der über 1500 erfassten Motoren werden mit einem Frequenzumrichter betrieben Betriebsstunden Es lassen sich keine generellen Zusammenhänge zwischen der Motorengrösse und den Betriebsstunden pro Jahr erkennen Lastfaktor Der durchschnittliche Lastfaktor der im Rahmen von Easy gemessenen 75 Motoren liegt bei rund 59% 87 Motor Summit 2012 Zurich, Switzerland klima:aktiv energieeffiziente Motorsysteme betriebe: Technologieschwerpunkt Konstantin Kulterer/Petra Lackner Austrian Energy Agency Mariahilfer Str. 136 E-Mail [email protected] In Industrie und produzierendem Gewerbe bestehen nach wie vor beachtliche Einsparpotenziale, die durch wirtschaftliche Maßnahmen realisiert werden können. Das klima:aktiv Programm „energieeffiziente betriebe“ in Österreich unterstützt Betriebe bei der Optimierung ihres Energieeinsatzes. Seit 2006 konnten ca. 156.000 t CO2 eingespart werden. Der wichtigste Schritt zur Energieeffizienz eines Betriebes ist zunächst die bewusste Entscheidung der Geschäftsführung für eine systematische Verbesserung der Energiesituation. Das ideale Werkzeug dazu liefert ein Energiemanagementsystem nach dem weltweiten Standard ISO 50001. Neben einer Schritt-für-Schritt-Anleitung zur Implementierung von Energiemanagement bietet die Website www.energymanagement.at ein Online-Benchmarking-Tool, mit dem Betriebe ihre Energiekennzahlen mit den Branchenbesten vergleichen können. Auditinstrumente, Beraterschulungen Eine umfassende Erstanalyse gibt Aufschluss über den Energieverbrauch einzelner Geräte, Maschinen oder Technologien und Prozesse in Unternehmen. Dazu dient das eigens entwickelte „ProTool“, ein Excel-Programm zur Datensammlung und Auswertung. Als Ergebnis liefert es sämtliche Energieverbrauchsdaten und eine erste Abschätzung der Einsparungspotenziale für jeden angegebenen Verbrauchsbereich. Bereiche, die ein hohes Einsparpotenzial aufweisen, werden so deutlich sichtbar. Eine Ergänzung dazu stellt der „Energiecheck Simple“ dar, mit dem anhand von einfachen „Ja/NeinFragen“ die Energieeffizienz eines Unternehmens überprüft werden kann. Darauf aufbauend werden für die wichtigsten Querschnittstechnologien in der Sachgüterproduktion sukzessive Konzepte zur Beurteilung der Energieeffizienz entwickelt. Technische Schwerpunkte lagen bisher im Bereich der elektrischen Antriebe, da knapp zwei Drittel des Stromverbrauchs in der Sachgüterproduktion für elektrische Antriebe verwendet werden und ein hohes wirtschaftliches Einsparpotenzial von ca. 30 % besteht. 2008 wurde die Druckluftoffensive „Halten Sie die Luft an“ gestartet, 2009 folgte die Pumpenoffensive „Pump Genau“ und 2010 der Schwerpunkt „Vom Ventilator verweht“. 2012 erstellte die Österreichische Energieagentur im Rahmen des Schwerpunkts „Berechnen Sie eiskalt“ den Leitfaden „Kältesystemaudits in Betrieben“. Dieser leistet Hilfestellung bei der raschen Bewertung des Einsparpotenzials. Die Österreichische Energieagentur will, dass möglichst viele Kälteanlagen in Österreich gemäß dem Leitfaden analysiert werden, um den Energieverbrauch für Kältesysteme um durchschnittlich 10 % zu senken. Die dafür erforderlichen Energieaudits werden in den Bundesländern finanziell unterstützt bzw. gefördert. Die klima:aktiv Kältekampagne konzentriert sich dabei auf die Evaluierung von Topmaßnahmen, die erfahrungsgemäß die höchsten Einsparungen lukrieren. 88 Motor Summit 2012, Zurich, Switzerland Zur professionellen Unterstützung arbeitet das Programm mit führenden Marktpartnern der entsprechenden Technologieschwerpunkte zusammen. Seit 2006 besuchten 940 TeilnehmerInnen (400 Personen) die klima:aktiv Schulungen, alle Unterlagen finden sich auf www.eebetriebe.klimaaktiv.at“. Weitere Schwerpunkte im Programm Für die Branchenkonzepte werden die größten Energieverbraucher der Branche festgestellt, analysiert, und ihnen bereits bewährte Maßnahmen zur Verbesserung der Energieeffizienz aufgezeigt. Veranstaltungen, Newsletter und Schulungen stärken das Bewusstsein der Betriebe für Möglichkeiten zur Optimierung des betrieblichen Energieeinsatzes. Einmal jährlich zeichnet Umweltminister Nikolaus Berlakovich besonders energieeffiziente Betriebe und deren EnergieberaterInnen aus. Dieses Jahr fand die Veranstaltung, am 22. November 2012 bereits zum fünften Mal statt. Die umgesetzten Maßnahmen werden auf der Programm-Website veröffentlicht und zeigen die Vielfalt an wirtschaftlichen Möglichkeiten zur Erhöhung der Energieeffizienz. Sie dienen anderen Unternehmen als Ansporn ebenfalls diesen Beispielen zu folgen: www.eebetriebe.klimaaktiv.at. Stromanwendungen (100% = 1.364 MWh) Rest 2% (31 MWh) Licht 1% (14 MWh) Druckluft 9% (116 MWh) Antriebe 72% (994 MWh) Ventilatoren 16% (218 MWh) Pumpen <1% (5 MWh) Abbildung 1: Verteilung d zeigt ein Beispiel der Aufteilung des Stromverbrauchs nach dem „ProTool“ in einem Sägewerk. Abbildung 2: klima:aktiv Kälteleitfaden und -folder 89 Motor Summit 2012 Zürich, Schweiz Migros Klima- und Energiestrategie 2020 Urs Berger Migros Genossenschafts Bund 8005 Zürich [email protected] Klima- und Energiestrategie 2020 Die Migros hat sich in ihrer Klima- und Energiestrategie 2020 ehrgeizige Ziele gesetzt. Sie will ihre Treibhausgasemissionen bis 2020 absolut um 20 Prozent senken. Im gleichen Zeitraum soll der Stromverbrauch absolut um 10 Prozent reduziert werden. Die Migros zeigt, dass Höchstleistungen im Klimaschutz möglich sind. Alleine in den letzten 20 Jahren konnte das Unternehmen in ihren Filialen die CO2-Emissionen aus fossilen Brennstoffen um die Hälfte reduzieren. Mit diesen hoch gesteckten Zielen bekennt sich die Migros zu einer verantwortungsvollen Klimastrategie. Um die Ziele zu erreichen, wird die Migros konsequent auf energieeffiziente und klimafreundliche Technologien setzen. In den Filialen sind insbesondere energieeffiziente Kühlmöbel und die schrittweise Umstellung auf die energiesparende LED-Technik in der Beleuchtungen geplant. Alle neuen Filialen verzichten wo immer möglich ganz auf fossile Brennstoffe. Energieeffizienz ist bei der Migros bereits seit den 70-er Jahren ein wichtiges Thema. Das Unternehmen verfügt über die grösste Minergie-Fläche der Schweiz (über 790‘000 Quadratmeter) und engagiert sich als Pionierin für die Sonnenenergie. Heute stehen 23 Photovoltaik-Anlagen auf MigrosDächern, weitere sind geplant oder bereits im Bau. Jährlich werden so über 3.5 GWh/Jahr Solarstrom produziert – immerhin über 2% des Schweizer Solarstroms. Für ihr über 30-jähriges Engagement im Energie- und Umweltbereich wurde die Migros mehrfach ausgezeichnet. „Die Migros ist ein echter Klimaschützer“, attestierte ihr die Jury des wichtigsten internationalen Energiepreises Energy Globe Award Ende 2011 (www.energyglobe.com). Die Umsetzung der Klima- und Energiestrategie erfolgt über individuelle und operationalisierte Ziele durch die einzelnen Genossenschaften und Unternehmen. Wesentliche Bestandteile der Umsetzung sind definierte best–practice Technologien, verbindliche Energiemanagement-Prozesse und Investitionsregeln, welche die Lebenszykluskosten angemessen berücksichtigen. Eine grosse Herausforderung stellen dabei die Ressourcen der technischen Mitarbeiter dar. Durch die ambitiösen Ziele werden unsere Mitarbeiter und auch die externen Partner wie Planer und Unternehmer mit zusätzlichen Anforderungen (vertieftem Know-how im Bereich der Energieeffizienz und konsequente Umsetzung dieser Technologien) konfrontiert. Stromeffizienz in der Gebäudetechnik Seit den 70-er Jahren bewerten wir die Energieeffizienz unsere Filialen mit Kennzahlen. Dieses System wurde in den vergangenen Jahren deutlich verfeinert und ein internes Energieklassensystem aufgebaut. Anhand dieses Kennzahlensystems können Zielwerte für Neu- und Umbauobjekte vorgegeben und kontrolliert werden. Mit unserem Energiedatenmanagementsystem werden die Verbrauchswerte von über 11‘000 Energie- und Wasserzähler viertelstündlich erfasst und ausgewertet. Aus diesen Informationen können Optimierungsmassnahmen abgeleitet, umgesetzt und deren Wirkung nachgewiesen werden. Im Filialbereich ist die Produktekühlung mit einem Anteil von 50 – 70 % der grösste Stromverbraucher, gefolgt von der Beleuchtung und den übrigen Verbrauchern wie Antriebe für Ventilatoren, Pumpen, 90 Motor Summit 2012 Zürich, Schweiz Transportanlagen und ICT. Unser Hauptaugenmerk gilt deshalb der Kältetechnik mit Kältekompressoren, Kühl-/Tiefkühlmöbeln, Ventilatoren und Pumpen. Durch eine systematische Optimierung konnte in Zusammenarbeit mit Komponentenherstellern und Installationsfirmen der spezifische Verbrauch drastisch gesenkt werden. Die Stromeffizienz von Heizungs- Lüftungs- und Klimaanlagen, welche zum Teil für deutlich weniger als 10% des Stromverbrauchs einer Filiale verantwortlich sind, wird durch folgende Massnahmen verbessert: • • • Angepasste, auf Erfahrung beruhenden Dimensionierung der HLK-Anlagen Berücksichtigung der „specific fan power SFP“ bei der Auslegung von Lüftungsanlagen, Elektrothermische Verstärkung ETV bei Pumpen und Ventilatoren und die Wirkungsgrade der einzelnen Komponenten. Bedarfs- und Leistungsabhängige Steuerung und Regulierung (Variable Fördermengen) Die entscheidenden Hebel für energieeffiziente Anlagen sind die korrekte Dimensionierung der HLKAnlagen und die Qualität der Steuerung und Regulierung, welche erst durch eine konsequente Betriebsoptimierung erreicht werden kann. Viele Fachplaner und HLK-Unternehmer sind in diesem Effizienzbereich zu wenig kompetent und vermögen energieeffiziente Lösungen nur bei einer sehr engen Führung durch unsere Fachspezialisten auch umzusetzen. Stromeffizienz im Logistik- und Produktionsbereich Bei der Beschaffung von komplexen Produktions- und Logistikanlagen wird versucht durch Vorgaben und LCC-Betrachtungen möglichst energieeffiziente Lösungen zu bevorzugen. Im Betrieb kann nur eine sehr niedrige Bereitschaft festgestellt werden, bestehende Motoren in komplexen Anlagen zum Zweck der Effizienzsteigerung zu ersetzen. In diesem Bereich ist auch eine deutliche Zurückhaltung von Anlagenlieferanten und -Herstellern zu beobachten. Auf der anderen Seite sind Effizienzspezialisten stark auf den Effizienzbereich fokussiert und bieten selten vollständige Dienstleistungen von der Analyse der Optimierungspotentiale, über den Ersatz von Motoren, Antrieben und Steuerungen bis zur Mängelbehebung und Optimierung. Fazit Energieeffizienz von technischen Anlagen und Systemen beginnt bereits bei der Anfrage. Neben den systemtechnischen Anforderungen müssen auch die Anforderungen an die Energieeffizienz formuliert und im Laufe der Projektentwicklung konsequent verfolgt und verfeinert werden. Diese Zielsetzung gleicht einer zusätzlichen Dimension und stellt damit deutlich höhere Anforderungen an alle Beteiligte. Oft fehlt in diesem Prozess die beharrliche Auseinandersetzung auf der Besteller Seite. Jedoch auch auf der Seite der Auftragnehmer (Planer, Hersteller und Lieferanten) stellen wir eine Zurückhaltung fest, dieser weiteren Dimension durch vertiefte Bearbeitung gerecht zu werden. Wesentliche Hemmnisse für die erfolgreiche Realisierung von energieeffizienten Systemen sehen wir noch immer in einer ungenügenden Beachtung der Energiekosten bei Investitionsentscheiden, aber auch in einem mangelnden anwendungsorientierten Wissen bezüglich der Energieeffizienz. Diese Dimension ist bei vielen Planern, Herstellern und Betreibern noch zu wenig ausgebildet. Diese Lücke sollte durch anwendungsorientierte Schulungs- und Weiterbildungsangebote in der nahen Zukunft geschlossen werden. 91 Motor Summit 2012 Zürich, Schweiz Effiziente Lösungen durch Energieeffizienz-Netzwerke verdoppeln - Doubling energy efficient solutions by energy efficiency networks Eberhard Jochem, Prof. Dr.-Ing. Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung (ISI) Breslauerstr. 48, D 76 139 Karlsruhe [email protected] Summary Energy Efficiency Networks (EENs) represent a new energy policy instrument, which is not applied by governmental bodies, but by actors of service companies or institutions or by utilities. In Energy Efficiency Networks, 10 to 15 regionally based companies from different industrial sectors share their experiences in energy efficiency activities in moderated meetings (mostly four meetings per year). After an initial consultation and identification of profitable energy efficiency potentials in each participating company or factory, all participants decide upon a joint energy efficiency and a CO2 reduction target over three to four years. Information on new energy efficient solutions of all cross cutting technologies – including all motor driven systems such as compressed air, ventilation, cooling, air conditioning, pumping - is provided by experts during these meetings and the performance of each company is monitored on an annual basis. A typical network period is of about three to four years with up 16 meetings, after which the participants decide whether or not the EEN should be continued. The main goals of an EEN are to reduce energy cost by identifying and realizing profitable energy efficiency solutions and reducing transaction costs. Indirectly, the objectives are directed to overcome existing obstacles such as lack of knowledge in energy efficient solutions (including organisational measures), to raise the priority of energy efficiency aspects within the company, particularly in cross cutting technologies and to change inadequate decision and investment routines in energy efficiency and renewable energies. Results from 70 networks in Switzerland and more than 50 networks in Germany show that the participating companies can double their energy efficiency improvements. Every company that has been consulted so far has a more or less substantial profitable efficiency potential (internal rate of return > 12 %) between five and 25 % of its present energy demand. Much of this potential has been identified in electrical motor systems. The first energy efficiency network was founded in Switzerland in 1987 (EnergieModell Schweiz) and the idea was transferred to Germany in 2002. Currently, almost 60 EENs are operational in Germany in 2012. To foster the idea a “30-Pilot-Networks”project was initiated by the author in 2008 funded by the German government (www.30pilot-netzwerke.de ). Besides implementing 30 EENs and training consulting engineers as well as special moderators for moderating the meetings, the main objective of the project was to improve an existing network management system (MS) to operate EENs at a high quality standard labelled as LEEN (Learning Energy Efficiency Networks). The MS consists of an EEN manual with helpful documents (e.g. contract templates, checklists, technical manuals, presentation of energy efficient solutions) and about 25 software-based techno-economic calculation tools which are being developed under a joint user interface. All major applications of motor systems are modelled by these investment calculation tools (e.g. compressed air, electrical motors, pumps, cooling free cooling, ventilation. The MS offers three elements needed for the international Norm ISO 50001 (Energy Management Systems): an initial consulting report, a list of planned energy efficiency investments and organisational measures for the years to come, and a yearly monitoring which can be performed by the company itself or by the consulting engineer. 92 Motor Summit 2012 Zürich, Schweiz EENs are financed and operated mainly by industry itself. They represent an innovative approach for medium-sized companies being applicable in any industry with minor adaptations. The main activities of the energy efficiency networks are (1) an initial consultation for each company by an experienced engineer, (2) an agreement on a common target for energy efficiency improvement and for CO2 emission reduction of the network with a time horizon of three to four years on the basis of the results of the initial consultation, (3) regular meetings (four times per year) with presentations on technical and organisational issues by invited senior experts and exchange of experiences among the energy managers, and (4) an annual monitoring of energy efficiency progress and the reduction of energy related greenhouse gas emissions for each company and the network. Timeframe 3 to 4 years Phase 0 (3 to 9 month) Acquisition Meetings: LEEN-Concept - organisation - process - costs Letter of Intent/ Contract Official Start of Network Phase 2 (3 to 4 years) Phase 1 (3 to 6 month) identification of profitable energy savings: - initial questionnaire - site inspection - initial savings report Target agreement - Energy reduction - CO2-reduction continuous network meetings (3 to 4 meetings per year) content: - site inspection - lecture on an efficiency topic - presentation of realized measures - general exchange of experiences completion - communication on results - decision, if network will be continued Monitoring of results Communication on network activities Figure 1. Setting up and operating an energy efficiency network for the first three to four years The achievements observed in five energy efficiency networks over a period of two to four years (between 2004 and 2012) look promising: • • • • • • On the average, the companies participating in the efficiency networks agreed upon an efficiency target of around 2 % per year which is a double of the average industry achieved during the last five years. The authors observed substantial deviations for individual companies due to very different reasons (e.g. substantial or no new investments, high growth or decline in production, low or strong support from the board) The results of the reduction of specific CO2 emissions were a little less than 2 %, as electricity demand with its higher specific CO2 emissions increased its share in all networks. After three to four years, the energy cost savings of a company ranged in the order of 220,000 € per year and 1.000 tonnes CO2 reduction per company (average). Since 2005, the third largest German electricity utility initiated 16 energy efficiency networks with 200 companies until March 2011 which is one third of all presently operating energy efficiency networks. An interesting observation was (and still is) that several participating companies started checking their products for higher efficiencies (e.g. high efficient ventilators, gear boxes) or developing new products and systems (e.g. energy management systems); other companies approached their technology suppliers asking for improved and high efficient solutions (e.g. lower weights of transport lines, better insulation and control techniques of kilns). While 100 measures were planned and implemented, 60 new ideas – mostly more complex and sophisticated – were born and developed for further improvement of the companies’ energy performance. 93 Motor Summit 2012 Zürich, Schweiz Cleantech - Schub für die Industry Nick Beglinger Wirtschaftsverband swisscleantech Reitergasse 11, 8004 Zürich [email protected] swisscleantech - Stimme der Grünen Wirtschaft swisscleantech vertritt die führenden Cleantech Unternehmen, Branchen- und Interessensverbände in der Schweiz und Liechtenstein. swisscleantech steht für eine nachhaltige und liberale Wirtschaftspolitik (konsequente Internalisierung externer Kosten mittels schlanken Rahmenbedingungen), bündelt die Kräfte der Grünen Wirtschaft und vertritt ihre Interessen in der Politik. Für swisscleantech steht der Begriff 'Cleantech' nicht für eine spezifische Branche oder Industrie, sondern für einen Qualitätsfaktor in Sachen Ressourcen Effizienz und Emissionen. Cleantech hat Relevanz für Firmen in jeder Industrie, gilt für Produkte und Dienstleistungen, und appliziert überall in der Wertschöpfungskette. Das Ziel von swisscleantech ist die Schweiz als internationale Cleantech Vorreiterin zu positionieren. Wir bieten Mitgliederdienstleistungen an (Datenbank, News-Service, Veranstaltungen und Fokusgruppen) und unterstützen Referenzprojekte. swisscleantech wurde am 07/12/2009 von Nick Beglinger, Chris Häuselmann und Bertrand Piccard gegründet. swisscleantech - Lobby für mehr Effizienz Effizienz brauch eine wirtschaftspolitische Stimme und aktives Lobbying - besonders im Prozess einer Kehrtwende in der Energiepolitik. swisscleantech setzt sich dafür ein, dass die richtigen regulatorischen Rahmenbedingungen nachhaltiges Wirtschaften systematisch belohnen. Für swisscleantech ist dabei ein Fokus auf Effizienz zentral - betreffend alle Ressourcen, inklusive Energie. für den Verband sind freiwillige Massnahmen ein 'nice to have', klare Rahmenbedingungen jedoch ein 'must have'. swisscleantech vertritt die Position, dass Energie heute zu billig ist weil keine konsequente Vollkostenrechnung angewendet wird. Um die Vollkostenrechnung konsequent in den regulatorischen Rahmen einbringen zu können, bedarf es einer starken und aktiven Lobby die für ihre Interessen kämpft. Und es braucht ein Know How und Innovations-Netzwerk der wichtigen Akteure. Es gilt neue Lösungen zu präsentieren, neue Mehrheiten zu bilden und das Thema 'Umwelt' wirtschaftsfreundlich umzusetzen. Die Cleantech Energiestrategie: Bitte Wenden swisscleantech hat sich bereits vor Fukushima, aus wirtschaftlichen Gründen, gegen die Kernkraft ausgesprochen und sich für eine nachhaltige Energiepolitik eingesetzt. Um uns stark genug zu positionieren haben wir seit 2010 eine eigene Analyse der Energiewende, die Cleantech Energiestrategie, entwickelt. Diese setzt klare quantitative und qualitative Ziele (z.B. 100% Erneuerbare Energie, 1 Tonne CO2 pro Kopf bis 2050). Sie basiert auf einem dynamischen Energiemodell das von swisscleantech entwickelt und jüngst von Ernst & Young auf seine Funktionalität geprüft wurde. Das Energiemodel kann durch die Arbeit unserer verschiedenen Fokusgruppen laufend mit neuen Parametern gespiesen und weiterentwickelt werden. swisscleantech und ausgewählten Moderatoren leiten die Gruppen, bestehend aus Vertretern unserer Mitglieder - Firmen und Branchenverbände, sowie weiteren Fachleuten aus Wirtschaft, Politik und Wissenschaft. .Fokusgruppen werden zu spezifischen Themen und Fragenstellungen zusammengerufen. Die Gruppe 'Energie in der Industrie' befasst sich spezifisch mit Motoreneffizienz (auch in Kooperation mit S.A.F.E). In halbtägigen Workshops werden detaillierte Faktoren, wie z.B. die Effizienzstandards oder Leistungskriterien für die Periode bis 2050 diskutiert. Die dabei gewonnen Einsichten und Einschätzungen werden als Parameter genau definiert, auf die sich dann das Energiemodell stützt. Unsere Modellrechnungen erlauben uns so, Entwicklungen bezüglich Energienachfrage und -Angebot, sowie Faktoren wie Preise, Lastschwankungen oder volks- 94 Motor Summit 2012 Zürich, Schweiz wirtschaftliche Auswirkungen zu analysieren. Das Resultat: Die Energiewende ist technisch machbar und wirtschaftlich attraktiv. Attraktiv für alle, und besonders für die Industrie Für swisscleantech ist der sekundäre Sektor ein wichtiger Teil der Schweizer Wirtschaft. Wir setzten uns ebenso für eine starke Industrie, wie für den Dienstleistungs- und Primärsektor ein. Viele unserer Mitglieder produzieren und wir wollen einen starken Produktionsstandort Schweiz. Fakt ist, dass eine Energiepolitik mit Fokus auf Effizienz, Erneuerbare, intelligente Netze und Speicherung volkswirtschaftlich für die Schweiz attraktiv ist. Die Wertschöpfung verlagert sich ins Inland (wir isolieren lokal und verbrennen kein ausländisches Öl...). Die Energie erhält ihren Vollkostenpreis und die Wirtschaft wird auf Effizienz getrimmt. Die Fokusgebiete der nationalen Strategie stellen international hoch attraktive Exportmärkte dar. Die Schweiz kann sich als Vorreiterin positionieren - unsere Schweiz Qualität wird mit 'sauberer Qualität' in Verbindung gebracht. Viele profitieren von dieser Positionierung. Wie auch die ETH kommt swisscleantech zum Schluss, dass eine Cleantech Positionierung im Allgemeinen und die Energiewende im Speziellen sich besonders für die produzierende Industrie lohnen wird. Den wenigen energieintensiven Betrieben, die von einer raschen Energiepreiserhöhung effektiv betroffen wären, können und sollen Übergangs- und Ausnahmeregeln gelten. Da diese Betriebe jedoch nur ca. 10% des Energiekonsums ausmachen, steht der Wende dadurch nichts im Weg. Sie ist attraktiv für die Mehrheit, die 90%. Neue Stimme, Neue Mitte, Neuer Impulse Gestärkt durch die wachsende Zahl von führenden Cleantech Firmenmitglieder und den wichtigsten Branchenverbänden als Verbandsmitglieder, sowie detaillierten Analysen, ist swisscleantech gut positioniert um besonders in den Themen Energieeffizienz, Materialeffizienz, Erneuerbare Energien, Intelligente Netzwerke und Speicherung, Finanzierung und Innovation politischen Input zu geben. Die Detailstufe der Analysen erlaubt spezifische Vorschläge für Massnahmen und Förderstrategien. Wie wir im Meinungsbildungsprozess des neuen CO2 Gesetzes bereits gezeigt haben, lassen sich, auch wegen der 'neuen Mitte', durchaus neue politische Mehrheiten bilden die sich für eine Wirtschaftpolitik einsetzt die sowohl liberal als auch nachhaltig ist. swisscleantech sieht der Vernehmlassung sowie dem darauf folgenden Parlamentarischen Entscheidungsprozess positiv gegenüber. Es besteht eine klare Chance, die Energiepolitik der Schweiz, konsequent in Richtung Nachhaltigkeit zu wenden Solar Solar Impulse über dem Bundeshaus in Bern mit Cleantech Schub. Schweiz als Cleantech Vorreiterin Auch im Alleingang kann und soll die Schweiz eine Vorreiterin sein. Wir haben den Wohlstand und das Wissen für die überfällige Richtungsänderung. Als eines der wettbewerbsfähigsten und innovativsten Länder dieser Welt, gesegnet mit Wasserkraft und unterschiedlichen Klimazonen haben wir, in der Meinung des Verfassers sogar die Pflicht diesen Schritt zu gehen. Wenn nicht die Schweiz, wer denn sonst? 95 Motor Summit 2012, Zurich Switzerland What is Topmotors ? www.topmotors.ch Topmotors is powered by S.A.F.E. and supported by SwissEnergy Zürich, 29. November 2012, (CUB:c:\users\rolf tieben\dropbox\büro cub\motor_summit\tagungsband\what is topmotors12.doc) Topmotors is the implementation program for energy efficient electric motor systems within the framework of SwissEnergy in Switzerland. It is operated by S.A.F.E. the Swiss Agency for Efficient Energy Use. There are partnership projects for pilot projects, implementation and training with professional industry groups (EnAW and ÖBU) as well as power utilities (EKZ), Cantons of Zurich (Awel) and Zug, as well as industry associations (ProKlima, SEMA, SVK, swisscleantech, Swissmem und SwissTnet). Topmotors aims at improving electric motor systems in pumps, fans, compressors and mechanical traction that are used in industry, infrastructure projects and large buildings. Topmotors has run a series of pilot projects in industry and infrastructure plants. It provides training for energy efficiency consultants and technical staff in industry. It is also responsible for the financial incentive program Easy. Topmotors has the Motor-Check available, a four step audit for existing motors in industry. 1 2 3 4 Rough overall calculation of motors as fraction of total electric energy use, estimate of potential energy savings based on age and structure of motor park. Tool: SOTEA (software tool for efficiency potential) Accounting of running motor stock, decision maker by age, size and annual hours of operation. Priority for replacements. Tool: ILI (intelligent motor list) Electric measurement of peak and starting load. Basis for downsizing of motor and use of variable frequency drive. Evaluation of cost/benefit for system improvement. Tool: Standard report Investment plan for systematic three year improvement program. Tool: LCC (Life Cycle Calculator), MST (Motor Systems Tool) The web site also gives a number of technical support documents: Application guides for pumps and fans Good examples On site measurements Necessary equipment and possible interpretation for partial and changing load Load profiles Interpretation of year, week and day profiles for average running hours. Average cost Cost in CHF/kW for standard IE3 motors and frequency inverters Access to more detailed motor and drive engineering software tools and motor database: EuroDEEM Motor Master+ European motor database International motor database If you want to receive the Topmotors newsletter register at www.topmotors.ch 96 Motor Summit 2012, Zurich Switzerland Was ist Topmotors ? www.topmotors.ch Topmotors is powered by S.A.F.E. and supported by SwissEnergy Topmotors ist das Umsetzungsprogramm für energieeffiziente elektrische Antriebe innerhalb des Programms EnergieSchweiz. Topmotors wird von S.A.F.E. der Schweizerischen Agentur für Energieeffizienz organisiert. Dabei gibt es Partnerschaftsprojekte für die Umsetzung und Ausbildung mit EnAW, ÖBU und dem Energieversorger EKZ, den Kantonen Zürich (Awel) und Zug, sowie mit Fachverbänden wie ProKlima, SEMA, SVK, swisscleantech, Swissmem und SwissTnet. Topmotors will die Energieeffizienz von Pumpen, Ventilatoren, Kompressoren und mechanischen Traktionsanlagen in der Industrie, in Infrastrukturanlagen und grossen Gebäuden verbessern. Topmotors hat bereits eine Reihe von Pilotanlagen in der Industrie und in Infrastrukturanlagen untersucht. Topmotors bietet Ausbildungskurse für Energieberater und technisches Personal in der Industrie an. Topmotors ist auch für das Finanzierungsprogramm Easy verantwortlich. Topmotors präsentiert einen Motor-Check auf der Basis eines vierstufigen Industrieaudits: 1 2 3 3 Gesamtrechnung des elektrischen Energieverbrauches, des Anteils der elektrischen Antriebe und Schätzung des Effizienzpotenzials nach Alter und Nutzung der Anlagen. Tool: SOTEA (Software Tool für Effizienzpotenzial) Aufnahme des Motorenbestandes, 1-2-3 Test nach Alter, Grösse und Betriebsstunden. Prioritäten für Ersatz. Tool: ILI (Intelligente Motorenliste) Elektrische Lastmessungen beim Start und im Betrieb, Grundlage für Motordimensionierung und Einsatz von Frequenzumrichter. Kosten-/Nutzen von Verbesserungen. Tool: Standard Auswertung Investitionsplan für systematisches Verbesserungsprogramm innert der nächsten drei Jahre. Tool: LCC (Life Cycle Calculator), MST (Motor Systems Tool) Im Internet werden eine Reihe von Merkblättern vorgestellt: Anwender Modul für Pumpen und Luftförderung Gute Beispiele Messungen Nötige Messgeräte zur Ermittlung von Lastprofilen und zur Bestimmung des Teillastanteils. Lastprofile Interpretation des elektrischen Jahres-, Wochen- und Tagesgangs zur Bestimmung der mittleren Jahresbetriebsdauer. Kosten Spezifische Kosten CHF/kW für Standardmotoren und Frequenzumformer. Zugang zu detaillierten Engineering Softwareapplikationen ist vorhanden: EuroDEEM Motor Master+ European Motorendatenbank Internationale Motorendatenbank Wenn Sie den Topmotors Newsletter erhalten wollen, registrieren Sie sich unter www.topmotors.ch 97 Motor Summit 2012, Zurich Switzerland Who is S.A.F.E. ? Founded 1998 Status Non governmental agency NGO, association by Swiss law. Swissagency for efficient energy use under subcontract of the Swiss Federal Office of Energy and in the SwissEnergy Program since 2001 Mission Energy efficiency with a focus on electricity Representation Ecological and consumer interests Members 9 individuals and 7 collective members: electrosuisse, equiterre, Greenpeace Switzerland, SES, SKS, SLG, WWF Switzerland, President Giuse Togni Director Silvia Berger Members of the board Armin Braunwalder, Eric Bush, Conrad U. Brunner, Stefan Gasser, Jürg Nipkow, Felix Meier, Christa Mutter, Paul Schneiter, Giuse Togni. Media partner Consuprint (K-Tipp, Saldo) www.saldo.ch, www.ktipp.ch Faktor Publishers (factor journal and books) www.faktor.ch Major projects Topten (Eric Bush) www.topten.ch Lighting (Stefan Gasser) www.toplicht.ch Streetlight (Giuse Togni) www.topstreetlight.ch Household demand (Thomas Heldstab) www.energybox.ch Motors (Conrad U. Brunner) www.topmotors.ch Energy efficiency (Jürg Nipkow) www.energysystems.ch Consumer advisory (Giuse Togni) www.energy-efficiency.ch Media (Armin Braunwalder, Christa Mutter) www.energieeffizienz.ch, www.efficace.ch International projects Euro Topten (Energy Intelligent Europe) www.topten.info Energy+ pumps www.energypluspumps.eu IEA 4E Motor Systems Annex www.motorsystems.org Address S.A.F.E. Schaffhauserstrasse 34, CH 8006 Zurich Switzerland Tel +41 (0)44 362 92 31 www.energieeffizienz.ch www.efficace.ch www.energy-efficiency.ch 98 Motor Summit 2012, Zürich Was ist S.A.F.E. ? Zürich, 29. November 2012, (CUB:c:\users\rolf tieben\dropbox\büro cub\motor_summit\tagungsband\was ist safe12.doc) Gründung 1998 Status Non Governmental Agency NGO, Verein Energieagentur mit Leistungsauftrag des Bundesamtes für Energie im Programm Energie Schweiz seit 2001 Mission Energieeffizienz mit Schwerpunkt elektrische Energie Vertretung Umwelt- und Konsumenteninteressen Mitglieder 9 Einzelmitglieder und 7 Kollektivmitglieder: equiterre, Electrosuisse, Greenpeace Schweiz, Schweizerische Energie-Stiftung SES, Schweizer Lichtgesellschaft SLG, Stiftung für Konsumentenschutz SKS, WWF Schweiz Präsidentin Giuse Togni Geschäftsführer Silvia Berger Vorstand Armin Braunwalder, Eric Bush, Conrad U. Brunner, Stefan Gasser, Jürg Nipkow, Felix Meier, Christa Mutter, Paul Schneiter, Giuse Togni Medienpartner Consuprint (K-Tipp, Saldo) www.saldo.ch, www.ktipp.ch Faktor Verlag www.faktor.ch Hauptprojekte Topten (Eric Bush) www.topten.ch Licht (Stefan Gasser) www.toplicht.ch Haushalt Stromverbrauch (Stefan Gasser) www.energybox.ch Motoren (Conrad U. Brunner) www.topmotors.ch Energieeffizienz (Jürg Nipkow) www.energysystems.ch Konsumentenratgeber (Giuse Togni) www.energy-efficiency.ch Medien (Armin Braunwalder, Christa Mutter) www.energie-effizienz.ch, www.efficace.ch Internationale Projekte Euro Topten (Energy Intelligent Europe) www.topten.info Energy+ pumps www.energypluspumps.eu IEA 4E Electric Motor Systems Annex www.motorsystems.org Adresse S.A.F.E. Schaffhauserstrasse 34, CH 8006 Zurich Switzerland Tel +41 (0)44 362 92 31 www.energieeffizienz.ch www.efficace.ch www.energy-efficiency.ch 99 What is EMSA? The Implementing Agreement “Efficient Electrical End-Use Equipment" 4E of the International Energy Agency was launched in 2008. 12 countries work together in 4E to improve energy efficiency in standby power, motor systems and lighting. They also engage in mapping and benchmarking of product efficiency levels. Further information: www.iea-4e.org. Electric motors around the globe use 45% of total electricity consumption for pumps, fans, compressors and mechanical traction in industry, infrastructure plants and large buildings. The goal of the 4E Electric Motor Systems Annex (EMSA) is to improve energy efficiency of electric motor systems through information dissemination, capacity building, training, experience exchange and other activities. For this, EMSA works on many levels: • on the global level, to ensure clear and robust international standards are in place • on the national level, to help governments develop and implement an optimal mix of policies for market transformation • on the company level, to raise the awareness of executives to efficiency potentials in motor systems and enable engineers and technicians design and maintain efficient systems • on the personal level, to inform interested persons on latest motor efficiency developments from government, industry, academia. EMSA was launched in October 2008 and is currently in its second program phase, running until 2014. Six countries work together in EMSA, each of them engaged with a specific issue: Topic Motor Systems Policy Capacity Building International Standards 1 SEAD Testing Outreach Country Austria Denmark Switzerland, Netherlands USA Australia Switzerland Switzerland is the lead country of EMSA. Conrad U. Brunner ([email protected]) is the Operating Agent and Rita Werle ([email protected]) the project coordinator. The Swiss representative in the 4E Executive Committee is Roland Brüniger. For more information visit the EMSA website www.motorsystems.org. At the Motor Summit 2012 three EMSA workshops are held on 4 December: Policy, Motor Tools and Testing. 1 Super-Efficient Equipment and Appliance Deployment www.superefficient.org 100 Motor Summit 2012, Zurich Switzerland Supporters Zürich, 30. November 2012, S.A.F.E. wants to thank the following institutions that made the Motor Summit 2012 possible: Sponsors: • • • • • • Swiss Federal Office of Energy (BFE) with the SwissEnergy program EKZ, Power Utility of Canton of Zurich Canton of Zurich, AWEL Canton Zug, Building Department NEMA, US National Electrical Manufacturers Association S.A.F.E., Swiss Agency for Efficient Energy Use Partners for this event: • • • • • • • • • • • EnAW Energie-Agentur der Wirtschaft Faktor Publishers, Zurich IEA 4E Electric Motor Systems Annex EMSA Öbu Netzwerk für Nachhaltiges Wirtschaften ProKlima S.A.F.E. SEMA SVK swisscleantech Swiss Technology Network Swissmem Industrial exhibitors and contributors: • • • • ABB Schweiz AG Control Techniques AG ebm-papst AG Grundfos Pumpen AG 101