Die Zukunft der Kälte-, Klima- und Gebäudetechnik liegt in neuen Motoren

Klimaerwärmung und Anstieg der Weltbevölkerung stellen die Gesellschaft vor beachtliche Herausforderungen. So gilt es in erster Linie, den Energieverbrauch zu reduzieren. Laut Weltgesundheitsorganisation WHO besteht ein direkter Zusammenhang zwischen dem Wachsen der Weltbevölkerung und dem Wasserverbrauch, der Anzahl der Kraftfahrzeuge, dem Anstieg der CO2-Emission sowie dem Bedarf an elektrischer Energie. "Effizienz" wird vor diesem Hintergrund zum Schlagwort, weil sich so ein nicht unerheblicher Teil des kommenden Energiezusatzbedarfs kompensieren lässt. Dazu kann die Kälte-, Klima- und Gebäudetechnik einen wichtigen Beitrag leisten, indem sie bei Ventilatoren und Gebläsen auf möglichst energiesparende Antriebe setzt.

Wie sich der Einsatz moderner Ventilatoren auf Energieverbrauch und CO2-Emission auswirken kann, verdeutlicht ein Beispiel: Als Antriebe werden in der Kälte-, Klima- und Gebäudetechnik häufig Asynchronmotoren eingesetzt. Diese AC-Motoren sind kompakt und einfach aufgebaut, da sie direkt aus dem Wechsel- oder Drehstromnetz gespeist werden. Für die Versorgung des Läufers benötigen sie weder mechanische Kollektoren noch Elektronik. Sie sind robust und zuverlässig.

Es gibt jedoch einen ganz gravierenden Nachteil, und das ist ihr vergleichsweise geringer Wirkungsgrad. Vor allem im Teillastbereich ist er deutlich schlechter als bei modernen Motoren, die mit Gleichstrom angetrieben werden. Der niedrige Wirkungsgrad von um die 70 % wirkt sich natürlich in praktisch allen Anwendungen auf den Energieverbrauch aus.

Ein Rechenbeispiel, das beeindruckt

Für den bewährten AC-Motor - einen Einphasen-Kondensatormotor, der in allen erdenklichen Anwendungen eingesetzt wird - ergibt sich dadurch eine beeindruckende Rechnung: Betrachtet man die letzten fünf Jahre, in denen etwa 25 Mio. dieser AC-Motoren allein von dem Ventilatorenhersteller ebm-papst als Antrieb weltweit eingesetzt wurden, ergibt sich bei einer durchschnittlichen Leistungsaufnahme von 150 W und einer Einschaltdauer von 75 % ein jährlicher Energiebedarf von knapp 25 TWh (= 25 000 000 000 kWh). Das ist mehr als doppelt so viel, wie z. B. das AKW Neckarwestheim II mit seinen ca. 11,5 TWh jährlich produziert. Oder anders gesagt sind für die in fünf Jahren in unterschiedlichsten Ventilatorenanwendungen in der Kälte-, Klima- und Gebäudetechnik eingesetzten AC-Motoren zur Versorgung mindestens zwei AKWs erforderlich.

AC to EC - Austausch leicht gemacht

Das sollte zukünftig energiesparender gehen und das kann es auch. Durch die Entwicklung der EC-Motorbaureihe sind die Ventilatorhersteller heute in der Lage, die konventionellen AC-Motoren bei gleicher Mechanik durch hocheffiziente EC-Technik zu ersetzen. Im Prinzip passiert damit also das Gleiche wie mit der alten 100-W-Glühlampe: Sie lässt sich durch Energiesparlampen austauschen, die in die gleichen Fassungen passen. Allerdings ist es durchaus eine technische Herausforderung, EC-Motoren zu entwickeln, die mechanisch mit den ohnehin schon sehr kompakten AC-Motoren kompatibel sind.
EC-Motoren sind vom Prinzip her über Permanentmagnete erregte Synchronmotoren. Bei ihnen folgt der magnetische Rotor synchron einem Drehfeld, das elektronisch erzeugt wird. Dadurch lassen sich beliebige Betriebsdrehzahlen realisieren, unabhängig von der verwendeten Netzfrequenz. Bei begrenztem Einbauraum die notwendige Elektronik in den EC-Motoren unterzubringen (Bild 1), erfordert Erfahrung und Know-how. Außer der Miniaturisierung und Optimierung der Elektronik war zudem eine mechanische Kompatibilität erforderlich. Dazu gehört z. B. die gleiche Ausgestaltung des Anbauflansches wie bei AC-Motoren (Bild 2), außerdem musste die gesamte Motorbauform angepasst werden.

Gute Kühlung, hohe Schutzart und nachhaltige Konstruktion

Die kompakten EC-Motoren basieren auf dem bewährten Außenläuferprinzip, bei dem sich der Rotor um den innen liegenden Stator dreht. Die komplett bewickelte Baugruppe wird mit Duroplast umhüllt (Bild 3).
Der um den Stator laufende einteilige Rotor ist strömungstechnisch optimiert. Lufteinlässe im Rotor sorgen für eine ausreichende Kühlung des Stators. In Kombination mit dem umgossenen Stator ist ein hoher IP-Schutz (IP 54) der Motoren gewährleistet. Der komplette Motor ist robust, unempfindlich gegen Schockbelastung und überzeugt durch Zuverlässigkeit und lange Lebensdauer.

Praxisbeispiele, die überzeugen können

Eng mit der Energieeffizienz der EC-Motoren verknüpft sind weitere Eigenschaften, die sich im praktischen Betrieb positiv bemerkbar machen. Dazu zählt beispielsweise die Drehzahlregelung über die integrierte Elektronik. Die Drehzahl kann so immer bedarfsgerecht an die aktuellen Anforderungen angepasst werden. Außerdem arbeiten EC-Motoren im Gegensatz zu drehzahlgeregelten Asynchronmotoren ausgesprochen leise, da deren Triac- oder Frequenzumrichter-Regelung zwangsläufig Geräusche erzeugt. Weitere Vorteile sind die hohe Leistungsdichte, die kompakten Abmessungen und die Möglichkeit, Betriebsdaten und Zustände jederzeit abzufragen (Monitoring).
Dass sich der Umstieg von AC- auf EC-Motoren in der Kälte-, Klima- und Gebäudetechnik hinsichtlich Umwelt sowie Geldbeutel des Anwenders rechnet und gleichzeitig den Komfort steigert, lässt sich mit unterschiedlichen, bereits realisierten Beispielen belegen. Dazu gehören sogenannte Türluftschleier. Hier erzeugen Gebläse eine Barriere aus strömender Luft, die typischerweise die warme Raumluft von der kalten Außenluft trennt. EC-Gebläse (Bild 4) überzeugen hier durch Effizienz und die bedarfsgerechte Anpassung der Strömungsgeschwindigkeit, z. B. Absenkung bei geschlossener Tür, Winter- oder Sommerbetrieb bzw. Tag-/Nachtanpassung. Die geringe Geräuschentwicklung ist ebenfalls positiv zu verbuchen.
Ähnliches gilt für Ventilatoren in Verdampfereinheiten, die weltweit in Kälteanlagen eingesetzt sind, z. B. als Wärmeübertrager im Innern von Kühlräumen (Bild 5). Da die Anlagen mit hoher Einschaltdauer betrieben werden, lässt sich durch den Einsatz von EC-Motoren die Leistungsaufnahme erheblich reduzieren.
Ein weiteres Beispiel für den erfolgreichen Umstieg auf EC-Motoren liefern Anlagen zur Fassadenlüftung (Bild 6), die nicht nur für den notwendigen Luftaustausch sorgen, sondern auch heizen bzw. kühlen. Bedarfsgerechte Regelung und niedrige Geräuschentwicklung bei Drehzahlabsenkung sind weitere Vorteile. Dass die Ventilatoren sehr kompakt sind, ist für eine designorientierte Planung heute ebenso wichtig, wie die einfache und sichere Plug-and-play-Installation.

Ein AKW weniger

Die Reihe an Beispielen ließe sich fast noch beliebig fortsetzen, z. B. bis hin zu EC-Gebläsen in Dunstabzugshauben oder Wäschetrocknern, Rohrlüftern, Ventilatoren in Kühltheken und vielen mehr. Allen gemeinsam ist, dass sich beim Umstieg von AC- auf EC-Motoren die Leistungsaufnahme im Durchschnitt um etwa 40 % senken lässt.

Anknüpfend an das Zahlenspiel vom Anfang mit den 25 Mio. Applikationen mit AC-Motoren ergibt sich wieder eine beeindruckende Rechnung: Werden alle 25 Mio. AC-Motoren durch EC-Ausführungen ersetzt und geht man bei der möglichen Energieeinsparung von 40 % als Mittelwert aus, beträgt die jährliche Einsparung knapp 10 TWh, EC-Ventilatoren in der Kälte-, Klima- und Gebäudetechnik können damit durch ihre Effizienz ein ganzes AKW freistellen. Das ist ein Beitrag zur Reduzierung des zukünftigen Energieverbrauchs, der sich durchaus sehen lassen kann.