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Ökologische und ökonomische Bewertung des Ressourcenaufwands

Effiziente Elektromotoren

in der industriellen Produktion

August 2018

Studie: Ökologische und ökonomische Bewertung des Ressourcenaufwands - Effiziente Elektromotoren in der industriellen Produktion

Autorinnen und Autoren:

Dr. Constantin Herrmann, thinkstep AGAlexandra Saraev, thinkstep AGAndreas Busa, thinkstep AG

Fachliche Ansprechpartnerin:

Dr.-Ing. Ulrike Lange, VDI Zentrum Ressourceneffizienz GmbH

Wir danken Herrn Prof. Eckard Helmers, Fachbereich Umweltplanung/Umwelttechnik des Umwelt-Campus Birkenfeld der Hochschule Trier, für seine fachliche Unterstützung.

Die Studie wurde im Rahmen der Nationalen Klimaschutzinitiative des Bundesministeriums für Umwelt, Naturschutz und nukleare Sicherheit erstellt.

Redaktion:

VDI Zentrum Ressourceneffizienz GmbH (VDI ZRE)Bertolt-Brecht-Platz 310117 BerlinTel. +49 30-27 59 506-0Fax +49 30-27 59 [email protected]

Titelbild: © nordroden/Fotolia.com

VDI ZRE Publikationen: Studien

Ökonomische und ökologische Bewertung des Ressourcenaufwands

Effiziente Elektromotoren in der industriellen Produktion

INHALTSVERZEICHNIS

ABBILDUNGSVERZEICHNIS 5

TABELLENVERZEICHNIS 9

ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS 13

KURZFASSUNG 16

1 EINLEITUNG 23

2 ZIEL DER STUDIE 25

3 TECHNOLOGIEGRUNDLAGEN UND AUSWAHL 26 3.1 Datenauswertung und Analysen 26 3.2 Workshop mit relevanten Stakeholdern und anschließende

Diskussion mit ZVEI Experten 29 3.3 Festlegung der zu untersuchenden Elektromotoren und der

industriellen Anwendungsfälle 30

4 METHODISCHE GRUNDLAGEN, FESTLEGUNG DES UNTERSUCHUNGSRAHMENS UND DER FUNKTIONELLEN EINHEIT GRUNDLAGEN, UNTERSUCHUNGSRAHMEN UND FUNKTIONELLE EINHEIT 32 4.1 Einführung in das Thema Lebenswegbewertung 32 4.2 Ecodesign 34 4.3 Definition der Systemgrenzen 37 4.4 Definition der funktionellen Einheit 41 4.5 Funktion, Verbrauch, Verlust 42

5 FESTLEGUNGEN FÜR DIE SZENARIEN 46 5.1 Ziele und Produktsysteme 46

5.1.1 Szenario „Technologievergleich“ 46 5.1.2 Szenario „Systemvergleich“ 47

5.2 Untersuchungsrahmen 48 5.2.1 Zu untersuchende Produktsysteme 48 5.2.2 Produktfunktion(en) und funktionelle Einheit 50

5.2.3 Systemgrenzen 51 5.2.4 Allokation der Entsorgungsphase 58 5.2.5 Abschneidekriterien 59 5.2.6 Auswahl der Wirkungsabschätzungsmethodik und der

Indikatoren 59 5.2.7 Software und Datenbanken 60 5.2.8 Ökonomische Bewertung 60

6 VERGLEICHENDE ÖKOLOGISCHE UND ÖKONOMISCHE BEWERTUNG 65 6.1 Ökologische Bewertung 65

6.1.1 Szenario „Technologievergleich“ 65 6.1.2 Szenario „Systemvergleich“ 70 6.1.3 Sensitivitätsanalyse: C02-armer Strommix 81 6.1.4 Sensitivitätsanalyse: Transport 82 6.1.5 Sensitivitätsanalyse: Reparatur, Wartung und

Instandhaltung 83 6.2 Bewertung der Versorgungskritikalität 84 6.3 Ökonomische Bewertung 92

6.3.1 Szenario „Technologievergleich“ 92 6.3.2 Szenario „Systemvergleich“ 94 6.3.3 Fazit der ökonomischen Bewertung 97

7 ZUSAMMENFASSUNG, ERKENNTNISSE UND EMPFEHLUNGEN 98

LITERATURVERZEICHNIS 101

ANHANG 1: LITERATURRECHERCHE 106

ANHANG 2: KLASSIFIKATION DER MARKTÜBLICHEN ELEKTROMOTOREN 112

ANHANG 3: PROTOKOLL UND ERGEBNISSE DES WORKSHOPS 120

ANHANG 4: STÜCKLISTEN 131

ANHANG 5: ERGEBNISSE DER ÖKOLOGISCHEN BERWERTUNG 134

ANHANG 6: LANDNUTZUNG IN ÖKOBILANZEN MIT LANCA® 145

Abbildungsverzeichnis 5

ABBILDUNGSVERZEICHNIS

Abbildung 1: Darstellung des erweiterten Produktansatzes (EPA) mit eingebautem Motorsystem (z. B. ein PDS, ein Motorstarter) 38

Abbildung 2: Arbeitsablauf zur Ableitung des Energieeffizienzindex eines erweiterten Produktes 39

Abbildung 3: Materialien je Effizienzklasse 40

Abbildung 4: Übersicht der gesetzten Systemgrenzen 53

Abbildung 5: Treibhausgaspotenzial für das Szenario „Technologievergleich“ 65

Abbildung 6: Treibhausgaspotenzial nach Lebenswegphasen für das Szenario "Technologievergleich“ 66

Abbildung 7: Landnutzungswirkungen Okkupation, Szenario „Technologievergleich“ 69

Abbildung 8: Treibhausgaspotenzial für das Szenario „Systemvergleich“, Anwendungsfall 1 70

Abbildung 9: Treibhausgaspotenzial nach Lebenswegphasen für das Szenario „Systemvergleich“, Anwendungsfall 1 71






6 Abbildungsverzeichnis


Abbildung 16: Landnutzungswirkungen Okkupation für das Szenario „Systemvergleich“, Anwendungsfall 1 80

Abbildung 17: Klassifikation der Wechselstrommotoren 110

Abbildung 18: Kumulierter Energieaufwand (KEA), unterteilt nach Lebensphasen, Szenario „Technologievergleich“ 134

Abbildung 19: Kumulierter Rohstoffaufwand (KRA), unterteilt nach Lebensphasen, Szenario „Technologievergleich“ 135

Abbildung 20: Flächeninanspruchnahme, unterteilt nach Lebensphasen, Szenario „Technologievergleich“ 135

Abbildung 21: Wasserverbrauch, unterteilt nach Lebensphasen, Szenario „Technologievergleich“ 136

Abbildung 22: Kumulierter Energieaufwand (KEA), unterteilt nach Lebensphasen, Szenario „Systemvergleich“, Anwendungsfall 1 136

Abbildung 23: Kumulierter Rohstoffaufwand (KRA), unterteilt nach Lebensphasen, Szenario „Systemvergleich“, Anwendungsfall 1 137

Abbildung 24: Flächeninanspruchnahme, unterteilt nach Lebensphasen, Szenario „Systemvergleich“, Anwendungsfall 1 137

Abbildung 25: Wasserverbrauch, unterteilt nach Lebensphasen, Szenario „Systemvergleich“, Anwendungsfall 1 138



Abbildungsverzeichnis 7











Abbildung 38: Landnutzungswirkungen Transformation, Szenario „Technologievergleich“ 149

Abbildung 39: Landnutzungswirkungen Okkupation, Szenario „Technologievergleich“ 150

8 Abbildungsverzeichnis

Abbildung 40: Landnutzungswirkungen Transformation, Szenario „Systemvergleich“, Anwendungsfall 1 151

Abbildung 41: Landnutzungswirkungen Okkupation, Szenario „Systemvergleich“, Anwendungsfall 1 152







Tabellenverzeichnis 9

TABELLENVERZEICHNIS

Tabelle 1: Entscheidungsmatrix für verschiedene Elektromotoren 29

Tabelle 2: Betriebspunkte und Last-Zeit-Profil für das Szenario „Technologievergleich“ 52

Tabelle 3: Systemgrenzen, eingeschlossene und ausgeschlossene Aspekte des Lebenszyklus 54

Tabelle 4: Betriebspunkte/Last-Zeit-Profil für das Szenario „Systemvergleich“, Anwendungsfall 1 56




Tabelle 8: Ermittelte Investitionskosten für Elektromotoren ohne/mit Frequenzumrichter 62

Tabelle 9: Ermittelte Wirkungsgrade der Elektromotoren ohne/mit Frequenzumrichter 63

Tabelle 10: Übersicht der Ergebnisse zu den Indikatoren des Szenarios „Technologievergleich“ 67

Tabelle 11: Übersicht der Ergebnisse zu den Indikatoren des Szenarios „Systemvergleich“, Anwendungsfall 1 73




10 Tabellenverzeichnis

Tabelle 15: Zukünftige Treibhausgaspotenziale in kg CO2-eq/kWh 82

Tabelle 16: Treibhausgaspotenzial in kg CO2-eq für den Transport eines Elektromotors über 1000 km 83

Tabelle 17: Relevante Rohstoffe in Elektromotoren und Frequenzumrichtern 89

Tabelle 18: Bewertung der Kritikalitätsdimension „Versorgungsrisiko“ für Rohstoffe in Elektromotoren und Frequenzumrichtern 91

Tabelle 19: Berechnung der Energiekosten für das Szenario „Technologievergleich“ 93

Tabelle 20: Berechnung der Energiekosten für das Szenario „Systemvergleich“ – Anwendungsfall 1 94




Tabelle 24: Technische Informationen zu Drehstrommotoren 112

Tabelle 25: Marktrelevante Informationen zu Drehstrommotoren 113

Tabelle 26: Technische Informationen zu Wechselstrommotoren 114

Tabelle 27: Marktrelevante Informationen zu Wechselstrommotoren 115

Tabelle 28: Technische Informationen zu Gleichstrommotoren 115

Tabelle 29: Marktrelevante Informationen zu Gleichstrommotoren 117

Tabelle 30: Technische und marktrelevante Informationen zu Linearmotoren 117

Tabellenverzeichnis 11

Tabelle 31: Technische und marktrelevante Informationen Transversalflussmaschine 118

Tabelle 32: Technische und marktrelevante Informationen Repulsionsmotor 118

Tabelle 33: Technische und marktrelevante Informationen Universalmotor 119

Tabelle 34: Technische Informationen zu Elektromotoren ohne wirtschaftliche Bedeutung 119

Tabelle 35: Marktrelevante Informationen zu Elektromotoren ohne wirtschaftliche Bedeutung 119

Tabelle 36: Vereinfachte Stückliste für das Szenario „Technologievergleich“ (asynchroner Elektromotor mit 1,1 kW, Effizienzklasse IE2) 131

Tabelle 37: Vereinfachte Stückliste für das Szenario „Technologievergleich“ (asynchroner Elektromotor mit 1,1 kW, Effizienzklasse IE3) 131

Tabelle 38: Vereinfachte Stückliste für das Szenario „Technologievergleich“ (asynchroner Elektromotor mit 2,2 kW, Effizienzklasse IE4). Die Werte für die Ökobilanzberechnung wurden auf 1,1kW herunterskaliert. 132

Tabelle 39: Vereinfachte Stückliste für das Szenario „Systemvergleich“ (asynchroner Elektromotor mit 18,5 kW mit Frequenzumrichter, Effizienzklasse IE3). 132

Tabelle 40: Vereinfachte Stückliste für das Szenario „Systemvergleich“ (Reluktanzmotor mit 18,5 kW mit Frequenzumrichter, Effizienzklasse IE4). 133

Tabelle 41: Landnutzungswirkungen Transformation, Szenario „Technologievergleich“ 148

Tabelle 42: Landnutzungswirkungen Okkupation, Szenario „Technologievergleich“ 149

12 Tabellenverzeichnis

Tabelle 43: Landnutzungswirkungen Transformation, Szenario „Systemvergleich“, Anwendungsfall 1 151

Tabelle 44: Landnutzungswirkungen Okkupation, Szenario „Systemvergleich“, Anwendungsfall 1 152







Abkürzungsverzeichnis 13

ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS

AC Wechselstrom (engl.: Alternating Current)

Ag Gold

Al Aluminium

BMU Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und nuklea-

re Sicherheit

BMWi Bundesministerium für Wirtschaft und Energie

BOM Stückliste (Bill of Material)

CI Coded Information

Co Kobalt

CO2 Kohlenstoffdioxid

Cr Chrom

Cu Kupfer

DC Gleichstrom (engl.: Direct Current)

DIN Deutsches Institut für Normung e.V.

Dy Dysprosium

ECD Umweltbewusstes Gestalten (engl.: Environmentally

conscious design)

ELCD European Life Cycle Database

EN Europäische Norm

EPA Erweiterter Produktansatz

FE Funktionelle Einheit

Fe Eisen

FU Frequenzumrichter

GaBi Ökobilanzierungssoftware

14 Abkürzungsverzeichnis

IE International Efficiency

LCA Lebenszyklusanalyse (engl.: Life Cycle Analysis)

LKW Lastkraftwagen

KEA Kumulierter Energieaufwand

kg Kilogramm

KMU kleine und mittlere Unternehmen

KRA Kumulierter Rohstoffaufwand

kW Kilowatt

kWh Kilowattstunde

m Meter

Nd Neodym

Ni Nickel

OP Arbeitspunkt (engl. Operation Point)

PEF Product Environmental Footprint

Pd Palladium

PDCA Plan-Do-Check-Act

PDS Power Drive System (Umrichter plus Motor)

PLI Politisches Länderrisiko

RLI Regulatorisches Länderrisiko

SAM Semi-analytisches Modell

Si Silizium

Sn Zinn

SWOT Strength-Weekness-Opportunities-Threats

Abkürzungsverzeichnis 15

Ta Tantal

TAK Technischer Arbeitskreis des Fachbereichs Elektrische

Antriebe, ZVEI

Ti Titan

UBA Umweltbundesamt

VDI Verein Deutscher Ingenieure e.V.

Zn Zink

ZVEI Zentralverband Elektrotechnik- und

Elektronikindustrie e.V.

16 Kurzfassung

KURZFASSUNG

Elektromotoren und elektromotorische Systeme spielen eine wesentliche Rolle im Bereich der Energieeffizienz. Sie sind für ca. 40 % des weltweiten Energieverbrauchs verantwortlich und können zu einer Verdopplung des Stromverbrauchs bis 2030 beitragen, sollten keine weiteren Einsparmaß-nahmen getroffen werden.1 Eine Regulierung der Energieeffizienz von Elektromotoren legte daher die bekannten Energieeffizienzklassen IE2, IE3, IE4 oder IE5 und entsprechende Mindestwirkungsgrade je nach Motorleis-tung fest.

Dennoch gestalten sich die Energieverbräuche in der zumeist dominieren-den Nutzungsphase beim Endkunden sehr unterschiedlich (variierende Lastkurven, Drehzahlen etc.). Zudem können für Elektromotoren und elek-tromotorische Systeme mit höheren Effizienzklassen sowohl die Anschaf-fungskosten als auch der Rohstoffaufwand in der Herstellungsphase stei-gen. Die ökologischen und ökonomischen Wirkungen dieser sind entspre-chend von vielen Randbedingungen abhängig. Eine Lebenswegbetrachtung kann hier die Auswahl eines adäquaten effizienten Elektromotors bzw. elektromotorischen Systems unterstützen und ein optimales Ergebnis lie-fern.

Die vorliegende Studie zielt darauf ab, die ökologischen und ökonomischen Wirkungen effizienter Elektromotoren und elektromotorischer Systeme mit verschiedenen Energieeffizienzklassen durch eine Ressourceneffizienzbe-wertung und eine ökonomische Analyse miteinander zu vergleichen. Hier-zu werden in einem ersten Szenario – „Technologievergleich“ – drei Elektromotoren mit den Energieeffizienzklassen IE2, IE3 und IE4 gegen-übergestellt. Um die Komplexität elektromotorischer Systeme abzubilden, betrachtet ein zweites Szenario – „Systemvergleich“ – vier unterschiedli-che Anwendungsfälle. Diese kombinieren verschiedene Elektromotoren, Effizienzklassen, Frequenzumrichter und Betriebspunkte. Das erste Szena-rio „Technologievergleich“ und die vier Anwendungsfälle des zweiten Sze-

1 Vgl. Waide & Brunner (2011), S. 116.

Kurzfassung 17

narios „Systemvergleich“ werden über die Indikatoren kumulierter Ener-gieverbrauch (KEA), kumulierter Rohstoffaufwand (KRA), Treibhauspoten-zial, Wasserverbrauch und Landnutzung sowie in einer ökonomischen Analyse miteinander verglichen. Zusätzlich wird die Kritikalität in der Dimension des Versorgungsrisikos der eingesetzten Rohstoffe untersucht.

Die Auswahl möglicher technischer Parameter der Szenarien „Technologie-vergleich“ und der vier Anwendungsfälle des „Systemvergleichs“ basiert, neben einer Literaturrecherche und Experteninterviews, auf den Ergebnis-sen eines Industrieworkshops. Der Austausch mit Akteuren der Branche gewährleistet hierbei eine ausreichende Praktikabilität, Industrierelevanz und Anwendbarkeit der Szenarien in KMUs (Anhang 3). Aus den verschie-denen im Industrieworkshop besprochenen Szenarien erfolgt eine finale Auswahl mithilfe einer Bewertungsmatrix. Diese evaluiert die technischen Parameter der Szenarien über die Kriterien Marktrelevanz, Relevanz für KMU, Datenverfügbarkeit, Effizienzniveau, Eignung für Leitfäden und In-dustriepräferenz. Aus den Ergebnissen der Bewertungsmatrix resultieren die endgültigen technischen Parameter der Szenarien „Technologiever-gleich“ und „Systemvergleich“ (Kapitel 3).

Den größtmöglichen Praxisnutzen zur Durchführung von Lebensweganaly-sen in Bezug auf Elektromotoren und elektromotorische Systeme gewähr-leistet Kapitel 4. Zur Annäherung an die Lebenswegbetrachtung werden folgende Aspekte im Leitfadencharakter dargestellt:

• genereller Ablauf und Durchführung einer Lebenswegbewertung auf Grundlage der Maßgaben einer Ökobilanz (DIN EN ISO 14040/44),

• Datenaufnahme mithilfe eines Ecodesign-Prozesses,

• Definition der Systemgrenzen mit Blick auf die DIN EN 50598 „Ökode-sign für Antriebssysteme, Motorstarter, Leistungselektronik und deren angetriebene Einrichtungen“,

• funktionelle Einheit bei elektromotorischen Systemen,

• Zusammenhang von Funktion, Verbrauch und Verlust.

18 Kurzfassung

Ein zentrales Ergebnis des Kapitel 4 ist die Definition von Anforderungs-, Motorsystem- und Motorebene. Auf jeder der drei Ebenen sind Optimierun-gen möglich, die über die reine Energieeffizienzklasse des Motors hinaus wirken und deren Effekte auf die Ressourceneffizienz durch die Lebens-wegbetrachtung sichtbar werden. Das wird insbesondere durch die Ergeb-nisse der vier Anwendungsfälle des Szenarios „Systemvergleich“ im Kapi-tel 6.1.2 verdeutlicht.

Im Kapitel 5 werden darauf aufbauend für beide Szenarien die System-grenzen definiert, die notwendigen Daten aufgenommen, die Lebensweg-phasen modelliert und die funktionelle Einheit definiert. Für das Szenario „Technologievergleich“ definiert sich letztere als „Bereitstellung von me-chanischer Energie für einen industrierelevanten Nutzungsfall (z. B. För-derband, Pumpe oder Ventilator) durch elektrische Motoren mit definierter Nennleistung (1,1 kW) in drei Effizienzklassen (IE2, IE3, IE4) über einen festgelegten Zeitraum (5.000 Stunden pro Jahr über 15 Jahre) in einem bestimmten Lastpunkt“. Die funktionelle Einheit des Szenarios „System-vergleich“ lautet: „Bereitstellung von mechanischer Energie für einen in-dustrierelevanten Nutzungsfall (z. B. das Pumpen von flüssigen Lösungen) durch elektromotorische Systeme mit definierter Nennleistung (18,5 kW) in zwei Effizienzklassen (IE3 und IE4) über einen festgelegten Zeitraum (variabel, je nach Anwendungsfall 2.000 Stunden über 15 Jahre oder 7.500 Stunden über 10 Jahre) in mehreren bestimmten Lastpunkten.“ Je nach Anwendungsfall des Szenarios „Systemvergleich“ werden die Betriebs-punkte, Systemkomponenten und Anforderungen variiert. Es werden be-wusst unterschiedliche Motortechnologien (Asynchron- und Reluktanzmo-toren gleicher und unterschiedlicher Energieeffizienzklassen) verglichen, um die Komplexität elektrischer Motorsysteme aufzuzeigen und dem Leser ein bestmögliches Systemverständnis zu vermitteln.

Die Ergebnisse der ökologischen Bewertung des Szenarios „Technologie-vergleich“ im Kapitel 6.1.1 zeigen für alle untersuchten Indikatoren einen ähnlichen Verlauf. Am Beispiel des Treibhausgaspotenzials kann der direk-te Effekt der Energieeffizienz beobachtet werden. Das mit einem IE2-Motor betriebene System weist mit 5.238 kg CO2-eq/FE die höchsten Emissionen auf, gefolgt vom IE3-Motor mit 4.274 kg CO2-eq/FE bzw. dem IE4-Motor, der mit 3.353 kg CO2-eq/FE die geringsten Emissionen verursacht. Die

Kurzfassung 19

Nutzungsphase stößt dabei erwartungsgemäß mit 99 % die meisten Emissi-onen aus.

Die Ergebnisse der ökologischen Bewertung der vier Anwendungsfälle des Szenarios „Systemvergleich“ im Kapitel 6.1.2 zeigen je Anwendungsfall ebenfalls ähnliche Verläufe für alle Indikatoren mit Ausnahme der Land-nutzung. Die herangezogene Bewertungsmethode LANCA® berücksichtigt u. a. die Transformation, also die Landumwandlung von einem Ausgangs-punkt hin zur durch die Nutzung verursachten Modifikation der Fläche sowie deren potentielle Rückwandlung. Gerade bei der Transformation werden bei manchen Anwendungsfällen größere Auswirkungen durch die Herstellungsphase verursacht als durch die Nutzungsphase, da stofflich bezogene Bergbauprozesse (Herstellung) gegen energetische Bereitstel-lungsprozesse (Nutzungsphase) gestellt werden. Dennoch hängt das Er-gebnis immer von dem jeweiligen Anwendungsfall ab. Ein genereller Trend kann nicht abgeleitet werden.

Insgesamt zeigt Anwendungsfall 1 (Betriebszeit 2.000 h, variable Betriebs-punkte, Kapitel 6.1.2.1), dass die Herstellung je nach Arbeitspunkt und zeitlicher Intensität der Nutzungsphase durchaus signifikant zum Ergebnis beitragen kann (im Beispiel ca. 50 %). Über den gesamten Lebenszyklus betrachtet werden dabei dennoch trotz des höheren Rohstoffaufwands für den IE4-Reluktanzmotor weniger Emissionen durch diesen (2.843 kg CO2-eq/FE) als durch den IE3-Asynchronmotor (3.129 kg CO2-eq/FE) verur-sacht.

Im Anwendungsfall 2 (Betriebszeit 7.500 h, variable Betriebspunkte, Kapi-tel 6.1.2.2) wird der positive Effekt des Frequenzumrichters und der Effizi-enzklasse bei hoher Betriebszeit verdeutlicht, und zwar unabhängig von den gewählten Technologien des IE3-Asynchronmotors mit Frequenzum-richter und des IE4-Reluktanzmotors2. Die Ergebnisse der ökologischen Bewertung ähneln denen des Szenarios „Technologievergleich“ trotz der variablen Betriebspunkte. Diesen wird durch den Frequenzumrichter Rechnung getragen. Die Nutzungsphase dominiert hier mit 97 % (IE3-

2 Ein Reluktanzmotor ist grundsätzlich nur mit Frequenzumrichter betreibbar.

20 Kurzfassung

Asynchronmotor mit Frequenzumrichter) respektive 94 % (IE4-Reluktanzmotor).

Anwendungsfall 3 (Betriebszeit 7.500 h, einzelner Arbeitspunkt, Kapi-tel 6.1.2.3) unterstreicht die Ergebnisse aus Anwendungsfall 2, reduziert das Anforderungsprofil jedoch auf einen Arbeitspunkt. Es ähnelt darin somit ebenfalls dem Szenario „Technologievergleich“. Aufgrund der höhe-ren Nutzungsintensität und der höheren Leistungsklasse steigen jedoch die ökologischen Wirkungen in der Nutzungsphase im Vergleich zum Szenario „Technologievergleich“. Die Energieeffizienz je Motorsystem dominiert das Ergebnis.

Anwendungsfall 4 (Betriebszeit 7.500 h, einzelner Arbeitspunkt, identische Elektromotoren mit und ohne Frequenzumrichter, Kapitel 6.1.2.4) demons-triert die Analysenotwendigkeit eines Motorsystems auf Anforderungsebe-ne. Anwendungsfall 4 ähnelt prinzipiell Anwendungsfall 3, vergleicht aber zwei identische Asynchronmotoren mit und ohne Frequenzumrichter. Auf-grund des einzelnen Betriebspunktes zeigt das System mit Frequenzum-richter höhere ökologische Wirkungen als das System ohne Frequenzum-richter. Dies liegt darin begründet, dass der eigentliche Mehrwert eines Frequenzumrichters die Regelung verschiedener Betriebspunkte umfasst. Nur der inhärente Verlust des Frequenzumrichters senkt die Effizienz des Systems und erhöht damit den Verbrauch.

Abschließend werden die Sensitivität von einem CO2-ärmeren Strommix (Kapitel 6.1.3), von Transporten (Kapitel 6.1.4) und von notwendigen Repa-raturen und Wartungen (Kapitel 6.1.5) untersucht. Die Analysen zeigen, dass Transporte kaum Auswirkungen auf die Ergebnisse haben. Ebenso reagieren die nutzungsintensiven Anwendungsfälle nicht sensitiv auf eine Reparatur und Wartung. Im Fall einer geringeren Nutzungsdauer der Elektromotoren (z. B. Szenario „Systemvergleich“, Anwendungsfall 1) kön-nen Wartung und Reparatur unter Umständen sensitiv ausfallen. Dies ist jedoch immer anwendungsspezifisch. Bei weniger nutzungsintensiven elektromotorischen Systemen sollten die Reparatur und Wartung in Sys-temanalysen daher nicht von vornherein ausgeschlossen werden. Die Sen-sitivitätsanalyse eines CO2-ärmeren Strommix zeigt eine hohe Chance zur Sensitivität. Diese ist direkt proportional zur Signifikanz der Nutzungspha-

Kurzfassung 21

se. So würde beispielsweise bei einem Strommix mit 50 % reduziertem CO2-Beitrag (Angaben der Europäischen Kommission zu Energiesystemen bis 2050) die Herstellungsphase im Anwendungsfall 1 des Szenarios „System-vergleich“ mehr Emissionen ausstoßen als die Nutzungsphase. Dies ist ein Szenario, von dem zukünftig insbesondere Hersteller betroffen sein könn-ten.

Die Bewertung der Rohstoffkritikalität folgt der VDI 4800 Blatt 2 (Kapi-tel 6.2). Erwartungsgemäß reagiert die Kritikalität auf die Seltenen Erden des Permanentmagneten des IE4-Reluktanzmotors sowie auf die Edelmetal-le der Elektronik des Frequenzumrichters. Dies gilt allerdings nur für die geopolitischen und regulatorischen Kriterien. Vor allem für das Kriterium „Länderkonzentration der Produktion“ besitzen die meisten Rohstoffe einen Indikatorwert von 1. In diesem Fall sind die Rohstoffvorkommen auf weni-ge Länder konzentriert und unterliegen einem erhöhten Risiko einer han-delspolitisch motivierten Restriktion. Auch das politische Länderrisiko findet sich für die meisten Rohstoffe im erhöhten Wertebereich, womit der Zugang zu diesen Rohstoffen stark von der politischen Stabilität des Ex-portlandes abhängt. Für die ökonomischen Kriterien liegt vor allem eine erhöhte Kritikalität für die Kriterien „Substituierbarkeit in Hauptanwen-dungen“ und „Rohstoffpreisschwankungen“ vor. Dies bedeutet, dass viele der Rohstoffe in Hauptanwendungen nur unter hohen Kosten und/oder Funktionalitätsverlust oder gar nicht substituiert werden können. Daraus folgt eine hohe Abhängigkeit der Unternehmen von der Verfügbarkeit der Rohstoffe. Zudem sind viele Rohstoffe hohen Preisschwankungen unterwor-fen. Dies führt zu einer großen Versorgungsunsicherheit hinsichtlich der entsprechenden Rohstoffe auf den Rohstoffmärkten.

Die ökonomische Analyse (Kapitel 6.3) untersucht die einmalig anfallenden Investitionskosten für die Anschaffung, jährliche Energieverbrauchskosten (betriebsgebundene Kosten) und die resultierende Amortisationszeit. Es zeigt sich für die untersuchten Motorleistungsklassen, sowohl für das Sze-nario „Technologievergleich“ als auch für alle Anwendungsfälle des Szena-rios „Systemvergleich“, dass sich unter normalen Lebenszeitbedingungen keine Amortisation einstellt. Dies liegt zum einen an den geringen An-schaffungskosten der betrachteten kleindimensionierten Elektromotoren, zum anderen an den nicht essentiellen Unterschieden bei den Energiever-

22 Kurzfassung

bräuchen. Insgesamt lässt sich aber der Trend erkennen, dass sich die Amortisationszeiten mit zunehmender Leistung der Elektromotoren bzw. Systeme verkürzen. Eine Investition in einen effizienteren Motor aus finan-zieller Sicht vor Ablauf der Abschreibungszeit oder technischen Nutzungs-dauer rentiert sich anhand der gewählten Beispiele nicht, sollte aber immer fallspezifisch untersucht werden. Eine ökonomische Analyse empfiehlt sich stets bei Neuinvestitionen und hängt, wie im ökologischen Teil beschrie-ben, von der individuellen Anforderungsebene und dem gewählten Motor-system ab.

Die wichtigsten Erkenntnisse aus der Studie können wie folgt zusammen-gefasst werden und entsprechen den gängigen Erwartungen:

• Energieeffiziente Elektromotoren rufen deutlich geringere Umweltwir-kungen hervor. Je intensiver (Nutzungsdauer sowie Leistungsklasse) und je gleichmäßiger die Nutzungsphase ist (ein dauerhafter Arbeits-punkt), desto deutlicher wirkt sich dies auf die Energieeffizienz aus.

• Energieeffiziente Elektromotoren sind innerhalb komplexerer Motorsys-teme nur ein Element, um Verluste und Verbräuche zu senken. Eine Analyse aller Komponenten im Motorsystem und deren Erfüllung der Anforderungsebene benötigt eine fallspezifische Bewertung.

• Je höher die Verbräuche der Nutzungsphase sind, desto eher ist die Möglichkeit gegeben, dass sich eine ökonomische Amortisation von energieeffizienten Systemen einstellt.

Einleitung 23

1 EINLEITUNG

Ressourcenknappheit, steigende Energiepreise, die benötigte und geforder-te Reduktion von Treibhausgas- und anderen Emissionen sowie die dadurch resultierenden politischen Rahmenbedingungen erhöhen zuneh-mend die Bedeutung von Material- und Energieeinsparungen und somit von Ressourceneffizienzmaßnahmen.

Eine Bewertung der Ressourceneffizienz bzw. eine ökologische Bewertung über den gesamten Lebensweg hinweg ist komplex, unterstützt jedoch bei der lebenswegbezogenen Entscheidungsfindung. Es sind bereits Lebens-wegbewertungen (Ökobilanz) durchgeführt worden, deren Ergebnisse bei-spielsweise in Regulierungen wie die Energieeffizienz- oder Ecodesign-Regulierung und die entsprechenden Kennzeichnungspflichten einflos-sen.3, 4, 5 Ein weiteres Beispiel ist der Product Environmental Footprint (PEF)6 der Europäischen Kommission, für den die Ergebnisse von Lebens-wegbewertungen als Grundlage für Kennzeichnungen von in Europa ver-kauften Produkten dienen.

Die Lebenswegbewertung ist dennoch nicht allgemeiner Stand des Wissens bzw. keine in der Praxis durchgängig angewandte Methode. Daher ist ein Erkenntnisgewinn anhand geeigneter Praxisbeispiele und realer Ergebnis-se wichtig, um das Vorgehen und die Wertschöpfung einer Lebenswegbe-wertung breiter verfügbar zu machen. Die vorliegende Studie verfolgt die-ses Ziel unter der lebenswegbezogenen Betrachtung von Elektromotoren und elektromotorischen Systemen.

Elektromotoren und elektromotorische Systeme spielen eine zentrale Rolle in der Energieeffizienz, da sie für ca. 40 % des weltweiten Energiever-brauchs verantwortlich sind. Sie können zu einer Verdopplung des Strom-verbrauchs bis 2030 beitragen, falls keine weiteren Einsparmaßnahmen

3 Vgl. Europäisches Parlament (2009), S. 7 und S. 11. 4 Vgl. Europäische Kommission (2018a). 5 Vgl. Europäische Kommission (2018c). 6 Vgl. Europäische Kommission (2017).

24 Einleitung

getroffen werden.7 Aus logischer Konsequenz des Gesetzgebers erfolgte daher eine Regulierung der Energieeffizienz. Diese nimmt eine Kategorisie-rung der bekannten Energieeffizienzklassen IE2, IE3, IE4 und IE5 sowie entsprechenden Mindestwirkungsgrade je nach Leistung vor.

Werden Elektromotoren in marktüblichen Anwendungen über den gesam-ten Lebensweg hinweg betrachtet, dominiert aufgrund des Strombedarfs im Allgemeinen die Nutzungsphase des Elektromotors bzw. des elektromotori-schen Systems. Dennoch variieren die Energieverbräuche fallweise beim Endkunden durch beispielsweise unterschiedliche Lastkurven, Drehzahlen, Betriebszeiten etc. Zudem können für Elektromotoren und elektromotori-sche Systeme mit höheren Effizienzklassen sowohl die Anschaffungskosten als auch der Rohstoffaufwand in der Herstellungsphase steigen. Die ökolo-gischen und ökonomischen Wirkungen von Elektromotoren und elektromo-torischen Systemen sind demnach von vielen Randbedingungen abhängig. Eine Lebenswegbetrachtung kann hier die Auswahl eines adäquaten effi-zienten Elektromotors bzw. elektromotorischen Systems unterstützen und ein optimales Ergebnis für einen betrachteten Anwendungsfall liefern.

Die vorliegende Studie untersucht dazu zwei verschiedene Szenarien. Ei-nerseits werden Elektromotoren unterschiedlicher Effizienzklassen mitei-nander verglichen (Szenario „Technologievergleich“). Andererseits wird die Rolle der Energieeffizienz in elektromotorischen Systemen untersucht (Szenario „Systemvergleich“). Die Studie liefert dabei sowohl konkrete Ergebnisse aus der ökologischen und ökonomischen Bewertung der Szena-rien als auch eine Art Leitfaden mit Anleitungen zur Lebenswegbewertung und zum Ecodesign für Motorenhersteller und Motoreneinkäufer.

7 Vgl. Waide & Brunner (2011), S. 116.

Ziel der Studie 25

2 ZIEL DER STUDIE

Ziel der Studie ist es, einen Beitrag zur vergleichenden ökonomischen und ökologischen Bewertung effizienter Elektromotoren in der industriellen Produktion zu leisten.

Die Ergebnisse der ökologischen und ökonomischen Bewertung sollen u. a. als Entscheidungsgrundlage für kleine und mittlere Unternehmen (KMU) herangezogen werden und zeigen, inwieweit sich eine Investition in effizi-entere Elektromotoren ökologisch und ökonomisch rentieren kann. Darüber hinaus sind die Hauptzielgruppen der Studie Maschinen- und Anlagenbau-er (auch Großunternehmen), Berater sowie Forschungsinstitutionen. Der Charakter der Studie besitzt daher weniger eine starre Berichtsform, son-dern ist mehr als ein Entscheidungstool konzipiert, das die Industrie und die Märkte in Deutschland für eine verstärkte produktbezogene Lebens-wegbewertung sensibilisieren soll. Entsprechend breit, aber zielorientiert sind die Kernaspekte „funktionelle Einheit der Nutzungsphase“ und der sogenannte „erweiterte Produktansatz (EPA)“ nach EN 50598 aufgearbei-tet, mit Interessenvertretern abgestimmt und nutzerfreundlich dargestellt.

26 Technologiegrundlagen und Auswahl

3 TECHNOLOGIEGRUNDLAGEN UND AUSWAHL

Das folgende Kapitel liefert die Grundlagen, um die Elektromotoren bzw. elektromotorischen Systeme, die betrachtet werden sollen, auswählen zu können und einen sinnvollen industriellen Anwendungsfall zu definieren. Die Vorgehensweise gliedert sich in folgende Schritte:

• Durchführung einer Literaturrecherche, u. a. Übersicht relevanter Nor-men, Definition marktüblicher Technologien für Elektromotoren und elektromotorische Systeme (Details siehe Anhang 1 und 2),

• Interviews mit Herstellern, Verbänden und Forschungsgruppen (Details siehe Anhang 1),

• Datenauswertung und Zusammenführung der Ergebnisse aus Recherche und Interviews (Details siehe Anhang 1 und Kapitel 3.1),

• Workshop mit relevanten Interessenvertretern (Details siehe Kapi-tel 3.2),

• finale Auswahl der Elektromotoren und elektromotorischen Systeme über eine Bewertungsmatrix.

Die Ergebnisse der Literaturrecherche sowie die Informationen aus Exper-teninterviews sind Tabelle 24 bis Tabelle 35 des Anhang 1 zu entnehmen und werden an dieser Stelle nicht weiter ausgeführt.

3.1 Datenauswertung und Analysen

Aufbauend auf vorhandenem Wissen, den Ergebnissen der Literaturrecher-che und den Interviews (Anhang 1) wurde eine Bewertungsmatrix erstellt (Tabelle 1). Diese dient dazu, das erworbene Wissen abzubilden, und bietet eine strukturierte Übersicht aller Optionen, Kriterien und relevanten Ein-gangsparameter. Damit bildet sie die Entscheidungsgrundlage für eine transparente und sinnvolle Auswahl der Elektromotoren sowie der Anwen-dungsfälle für die elektromotorischen Systeme und unterstützt maßgeblich die Auswahl der geeigneten funktionellen Einheit für die Nutzungsphase.

Technologiegrundlagen und Auswahl 27

Alle Elektromotoren bzw. elektromotorischen Systeme, die als Beispiele gewählt wurden, werden entsprechend der Bewertungsmatrix anhand von sieben Kriterien bewertet:

• Kriterium 1: Marktrelevanz

Wie groß ist der Markt der genannten Elektromotoren bzw. der elekt-romotorischen Systeme? (Definierbar durch z. B. Umsatzzahlen (Quelle: Industrievertreter), Marktstatistiken und Experteneinschätzung)

• Kriterium 2: KMU-Relevanz

Wie relevant sind die betrachteten Elektromotoren bzw. die elektro-motorischen Systeme für KMU? (Experteneinschätzungen sollen bereits Einblick geben, inwieweit die recherchierten Technologien für KMU relevant sind.)

• Kriterium 3: Datenverfügbarkeit

Inwieweit stehen relevante Daten zur Verfügung bzw. können zur Verfügung gestellt werden? (Relevante Daten sind u. a. Stücklisten inklusive Materialdeklaration und Herstellungsprozessen, Definition der Anwendungsfälle bzw. der funktionellen Einheit, Stromverbrauch, Kosten, Entsorgungsszenari-en.)

• Kriterium 4: Effizienzniveau

Sind verschiedene IE-Klassen für die betrachteten Elektromotoren bzw. die elektromotorischen Systeme verfügbar? (Die IE-Klassen umfassen hierbei u. a. IE2, IE3 oder IE4.)

• Kriterium 5: Eignung für Ergebnisdarstellung in realer Anwendung

Eignen sich die Elektromotoren bzw. die elektromotorischen Systeme zur nachvollziehbaren Ergebnisdarstellung? (Die Projektziele, Ergebnisse sowie die Anleitung zum optimalen


Vorgehen können durch die gewählten Elektromotoren bzw. die elektromotorischen Systeme verständlich dargestellt werden.)

• Kriterium 6: Leitfadeneignung

Eignen sich die Elektromotoren bzw. die elektromotorischen Systeme für die Erstellung eines Leitfadens? (Es soll eine anwendungsfallspezifische Darstellung möglich sein und die Option bestehen, einen virtuellen Anwendungsfall zu definieren.)

• Kriterium 7: Industriepräferenz

Welche Elektromotoren bzw. elektromotorischen Systeme werden von Akteuren des Workshops und in den Interviews bevorzugt? (Die Industriepräferenz umfasst hierbei die Inputs der Akteure aus dem Workshop und den Interviews.)

In der Matrix wurden eine Reihe von Elektromotoren und elektromotori-schen Systemen hinsichtlich der einzelnen Kriterien bewertet. Dabei wur-den Punkte vergeben, um eine relative Gewichtung herzustellen, die eine Aussage dahingehend trifft, inwieweit ein Elektromotor bzw. ein elektro-motorisches System die sieben Kriterien erfüllt. Bei der Punktevergabe wurde zwischen 5, 3 und 1 unterschieden. Dabei sind

• 5 Punkte = Kriterium sehr gut erfüllt

• 3 Punkte = Kriterium durchschnittlich erfüllt

• 1 Punkt = Kriterium nicht erfüllt

Die Elektromotoren und elektromotorischen Systeme, die in der Summe aller Kriterien die meisten Punkte erhielten, wurden für die Studie priori-siert und zur finalen Abstimmung während eines Workshops (Kapitel 3.2) und anschließend den Experten des Zentralverbands Elektrotechnik- und Elektroindustrie (ZVEI) des Fachbereichs Elektrische Antriebe vorgestellt.

Darauf aufbauend wurde die finale Version der Matrix erstellt (Tabelle 1). Kapitel 3.3 beschreibt die Beispiele detaillierter, die aus der Matrix bzw. der Auswertung resultieren und im Laufe der Studie analysiert werden.


Tabelle 1: Entscheidungsmatrix für verschiedene Elektromotoren

Technologieanwendung

K1: M

arktr

elev

anz

K2:

KMU-R

elev

anz

K3:

Date

nver

fügb

ark

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K4: Eff

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K5:

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K7:

Ind

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Sum

me

Szenario „Technologievergleich“ einfach, Fokus auf direkten Vergleich der Einzelmotoren verschiedener Effizienzklassen 1,1 kW, Asynchron, Netzbetrieb 5 5 5 5 5 5 5 35 11 kW, Asynchron, Netzbetrieb 5 5 3 5 5 5 1 29 110 kW, Asynchron, Netzbetrieb 5 5 3 5 5 5 1 29 Szenario „Systemvergleich“ komplex, regelungsrelevant, mind. 18,5 kW, Anwendung trocken-aufgestellter Kreiselpumpen - Systemansatz Netz IE3 Motor 5 5 5 5 5 5 5 35 Netz IE3 Motor inkl. Frequenzumrichter 5 5 5 5 5 5 5 35

Netz mit Permanentmagnet, mind. IE4 5 5 5 5 5 5 5 35

Weitere Szenarien Motor für Anwendung in Pumpe, ohne Frequenzumrichter, fixer Arbeits-/Lastpunkt

5 5 3 3 3 5 3 27

Motor für Anwendung in Pumpe, mit Frequenzumrichter, fixer Arbeits-/Lastpunkt

5 5 3 3 3 5 3 27

Kompressor mit Druckspeicher 5 5 1 3 3 3 1 21 Kompressor ohne Druckspeicher 5 3 1 3 1 3 1 17 Bypass-Motor 3 3 1 3 1 3 1 15 Förderband mit intelligenter Zeitsteuerung 5 3 1 3 1 3 1 17

Reluktanzmotor 3 3 1 3 1 3 1 15

3.2 Workshop mit relevanten Stakeholdern und an-schließende Diskussion mit ZVEI Experten

In einem Workshop mit Industrieexperten wurden die Ergebnisse der Re-cherche und Interviews vorgestellt und die möglichen Elektromotoren sowie die elektromotorischen Systeme sowie darauf aufbauend verschiede-ne praxisrelevante Anwendungsfälle diskutiert. Die detaillierte Zusammen-fassung und die genauen Ergebnisse des Workshops in Form eines Veran-staltungsprotokolls sind im Anhang 3 nachzulesen.


Die in dem Workshop getroffene Auswahl der Elektromotoren sowie der eruierten Anwendungsfälle für die elektromotorischen Systeme wurde anschließend den Experten des Zentralverbands Elektrotechnik- und Elekt-roindustrie (ZVEI) des Fachbereichs Elektrische Antriebe präsentiert, um eine finale Bestätigung der Sinnhaftigkeit der Beispiele zu erhalten und den Kreis der möglichen Datenlieferanten zu erhöhen.

3.3 Festlegung der zu untersuchenden Elektromotoren und der industriellen Anwendungsfälle

Ziel der Studie ist es, einen Beitrag zur vergleichenden ökologischen und ökonomischen Bewertung effizienter Elektromotoren in der industriellen Produktion zu leisten und dabei dem Leser einen Weg aufzuzeigen, wie dies umsetzbar ist. Dieser Gedanke beeinflusst maßgeblich die Auswahl der zu berücksichtigenden Szenarien. Die Idee besteht darin, anhand des Szenarios „Technologievergleich“ zu zeigen, wie eine ökologische und ökonomische Bewertung grundsätzlich abläuft, wie Daten aufzubereiten sind und wie und in welche Ergebnisse diese überführt werden. Daneben soll das Szenario „Systemvergleich“ den Systemgedanken vermitteln und vor allem den Weg zum Ziel bzw. zur Ergebnisdarstellung aufzeigen. Hie-raus leitet sich der Anspruch der Studie ab: Sie soll sowohl ergebnisorien-tiert lebenswegübergreifende Werte zu verschiedenen Effizienzklassen von Elektromotoren vermitteln („Technologievergleich“) als auch Handlungs-anweisungen und Aspekte des Systemansatzes (immer fallbezogen und abhängig von den gesetzten Systemgrenzen) in Form eines leitfadenartigen Berichts beschreiben. Für letzteres werden zwar Ergebnisse geliefert, deren Aussagekraft jedoch nicht repräsentativ für Motortypen, Technologiearten oder Anwendungsfälle ist. Sie dienen lediglich der Untermauerung des Leitfadens.

Im Detail beinhaltet das Szenario „Technologievergleich“ einen direkten Vergleich asynchroner Elektromotoren mit 1,1 kW in drei unterschiedli-chen Effizienzklassen IE2, IE3 und IE4 im Netzbetrieb bei 75 % Last. Asyn-chronmotoren machen ca. 65 – 70 % aller produzierten Elektromotoren aus (Details siehe Literaturrecherche im Anhang 1 und 2). Dieser Anwendungs-fall vergleicht direkt die IE-Klassen und adressiert die Motorebene wie in Kapitel 4.5 beschrieben. Die Zahlen und der Umfang der Umweltwirkungen


stehen dabei im Zentrum des Ergebnisses und bieten einen Mehrwert für die Nutzer der Studie. Die Ergebnisse sind repräsentativ für den gewählten Anwendungsfall.

Das Szenario „Systemvergleich“ berücksichtigt einen drehzahlsteuerungs-relevanten Anwendungsfall (Einsatz von Umrichter erforderlich), um den Systemansatz darstellen zu können. In dem Fall werden trocken aufgestell-te Kreiselpumpen auf einem Fundament in der Leistungsklasse von 18,5 kW im Netzbetrieb in zwei unterschiedlichen Effizienzklassen (IE3-Asynchronmotor mit und ohne Frequenzumrichter und IE4-Reluktanz-motor mit Frequenzumrichter (entspricht Effizienzklasse IE5)) berücksich-tigt. Kapitel 5 beschreibt die Betriebspunkte und die Last-Zeit-Profile im Detail. Anforderungen an das System wären z. B. „Pumpen von wässriger Lösung oder Öl über eine bestimmte Zeit x“. Kleinere Leistungsklassen nutzen oft „Standardlösungen“ oder einfache Lösungen. Bei größeren Leis-tungsklassen, wie der gewählten, sind eher eine individuelle Auswahl und Anpassung aller beteiligten Systemkomponenten üblich. Ziel dieses Szena-rios ist es, einen Technologievergleich zu vermeiden und dem Leser aufzu-zeigen, dass Denken in Systemen wichtiger ist als nur die Wahl des Ein-zelmotors und der IE-Klasse. Dieses Szenario adressiert die Motorsysteme-bene, wie in Kapitel 4.5 beschrieben.

Um den Systemgedanken weiter zu unterstützen, wird zusätzlich ein „Ne-gativszenario“ als Sensitivitätsanalyse einbezogen. Die unterschiedlichen Betriebspunkte und Last-Zeit-Profile des Szenarios „Systemvergleich“ wer-den hin zu einem fixen Betriebs-/Lastzeitpunkt geändert. Diese zusätzliche Sensitivitätsanalyse auf Basis des Szenarios ermöglicht den Vergleich der Asynchronmotoren mit und ohne Frequenzumrichter, wobei der Frequenz-umrichter ohne Nutzen ist (statischer Lastpunkt) und somit lediglich einen zusätzlichen verlustrelevanten Verbraucher im System darstellt. Dieses zusätzliche Szenario adressiert die Anforderungsebene, wie in Kapitel 4.5 beschrieben.

32 Grundlagen, Untersuchungsrahmen und funktionelle Einheit

4 METHODISCHE GRUNDLAGEN, FESTLEGUNG DES UNTERSUCHUNGSRAHMENS UND DER FUNKTIONELLEN EINHEIT GRUNDLAGEN, UNTERSUCHUNGSRAHMEN UND FUNKTIONELLE EINHEIT

Die folgenden Abschnitte beschreiben die methodischen Grundlagen zur Studie und dienen dem Leitfadengedanken (Einführung der Lebenswegbe-wertung und des Ecodesigns, Kapitel 4.1 und Kapitel 4.2) sowie dem Ver-ständnis und der Beschreibung der gewählten Produkte und Systeme. Letzteres beinhaltet unter anderem die Beschreibung der zu untersuchen-den Produktsysteme, ihre Funktion(en), die funktionelle Einheit und Refe-renzflüsse sowie die Systemgrenze, Allokationsverfahren und Abschneide-kriterien der Studie (Kapitel 4.3 bis 4.5).

4.1 Einführung in das Thema Lebenswegbewertung

Grundsätzlich ist eine Lebenswegbewertung, also eine Ökobilanz, ein In-strument zur Erfassung, Bewertung sowie Abbildung von Umweltauswir-kungen und bildet eine Grundlage für Vergleiche, Zielsetzungen oder in-terne und externe Kommunikation. Nach ISO 140408 umfasst sie die Fest-legung des Ziel- & Untersuchungsrahmens, die Erstellung der Sachbilanz, die Wirkungsabschätzung sowie die abschließende Interpretation. Die Festlegung des Ziel- & Untersuchungsrahmens ist maßgeblich für die wei-teren Arbeiten, da hier die zu betrachtenden Systemabgrenzungen definiert werden. In der anschließenden Sachbilanz werden alle benötigten Inputs (Rohstoff- und Energieflüsse) sowie Outputs (Abfälle, Emissionen etc.) erfasst. Je nach definierten Systemgrenzen erfolgt dies über sämtliche Lebenswegphasen des zu betrachtenden Produkts, also von „der Wiege bis zur Bahre“ („Cradle-to-Grave“). In der Wirkungsabschätzung werden jedem Bestandteil der Sachbilanz ihre Umweltwirkungen mithilfe von Wirkungs-kategorien (z. B. Treibhauspotenzial oder stratosphärischer Ozonabbau) zugewiesen. Die abschließende Interpretation identifiziert die wichtigsten Themen, gibt Handlungsempfehlungen und behandelt mögliche Einschrän-kungen der Analyse.

8 Vgl. DIN EN ISO 14040:2009-11.

Grundlagen, Untersuchungsrahmen und funktionelle Einheit 33

Diese und alle weiteren Schritte der Ökobilanz erfolgen in Anlehnung an die Vorgaben der DIN EN ISO 14040 „Ökobilanz -- Grundsätze und Rah-menbedingungen“9 sowie der DIN EN ISO 14044 „Ökobilanz — Anforde-rungen und Anleitungen“10.

Die Festlegung des Ziel- und Untersuchungsrahmens beinhaltet beispiels-weise (basierend auf DIN EN ISO 14044)11:

• die Festlegung der Fragestellung und des Ziels der Untersuchung, um ein klares Verständnis der Inhalte zu sichern,

• die Zielgruppe der Ökobilanzergebnisse (z. B. KMUs), um deutlich zu machen, wer Empfänger oder Nutzer sein kann oder sollte,

• die Beschreibung der untersuchten Produkte und des untersuchten Systems, um Eindeutigkeit und Klarheit im Verständnis der Komplexität von Elektromotoren zu erzeugen,

• die Definition der funktionellen Einheit(en), die hauptsächlich Einfluss auf das Ergebnis hat, da sie definiert, wie die Nutzungsphase zu berech-nen und darzustellen ist und worauf sich alle zu errechnenden Umwelt-wirkungsindikatoren beziehen werden,

• die Festlegung der Systemgrenzen, um deutlich zu machen, was berück-sichtigt wurde und was nicht zum Ergebnis beiträgt bzw. unberücksich-tigt bleibt,

• die Anforderungen an die Datenqualität, Detailtiefe und den Umfang, um einen Eindruck der Qualität und Verlässlichkeit der Ergebnisse ver-mitteln zu können,

9 Vgl. DIN EN ISO 14040:2009-11. 10 Vgl. DIN EN ISO 14044:2006-10. 11 Vgl. DIN EN ISO 14044:2006-10.


• die Festlegung grundlegender Annahmen z. B. zu einzelnen Lebenszyk-lusphasen, um die Stabilität und Gültigkeit der Ergebnisse beurteilen zu können,

• den regionalen und zeitlichen Bezug, um die Übertragbarkeit auf andere Bereiche beurteilen zu können,

• den Umgang mit Datenlücken, Abschneidekriterien, Allokationsmetho-den etc., um die Qualität, Stabilität und Gültigkeit der Ergebnisse beur-teilen zu können,

• die Festlegung der zu betrachtenden Umweltwirkungskategorien,

• das Auswertungsverfahren und die Ergebnisdarstellung (u. a. Dia-grammtypen, CI-Formate, Detaillierungsgrade etc.), um ein besseres Verständnis der Ergebnisse sicherzustellen, und

• die Auswahl der Parameter und Einflussfaktoren für die Sensitivitäts-analyse, um deren Relevanz beurteilen zu können.

4.2 Ecodesign Im Rahmen der lebenswegumfassenden Umweltbewertung von Produkten spielt das Thema Ecodesign eine große Rolle. Die Ökobilanz ist dabei ein wesentlicher Bestandteil von Ecodesign. Das folgende Kapitel zeigt diese Verbindung und stellt das Thema Ecodesign im Unternehmen generell dar. Darüber hinaus bietet es Unterstützung für Akteure, speziell auch für KMU, wie Datenaufnahmen in Unternehmen organisiert werden können. Es bietet somit die praktische Unterstützung wie im Workshop erbeten (siehe Anhang 3, Protokoll Diskussionspunkt (3) und (4)). Die nachfolgen-den Kapitel 4.3, 4.4 und 4.5 spezifizieren wiederum Aspekte der Lebens-wegbewertung und des Ecodesigns für Elektromotoren.

Ecodesign verknüpft eine Reihe von Aspekten aus dem Produktdesign mit dem Thema Umwelt bereits während des Produktentwicklungsprozesses, um effizient und effektiv Mehrwert zu schaffen. Einige dieser Aspekte sind


— in Anlehnung an die DIN EN ISO 1406212 -- strukturierte Ablaufprozesse in der Produktentwicklung, im Datenmanagement (wer darf welche Daten von wem aufnehmen und wo und wie ablegen), in der Abstimmung zu genutzten Indikatoren zur Bewertung der Produkte und in der Abstim-mung zur Kommunikationsabteilung inklusive des Einflusses auf die Be-schaffung.

Ecodesign muss folglich dafür sorgen, dass Umweltaspekte in die Entwick-lungsabläufe integriert werden. Dies ist für jedes Unternehmen unter-schiedlich und muss somit in das jeweils vorliegende Managementsystem aufgenommen werden. Dazu gehören Zuweisung von Rechten und Pflich-ten eines/r Ecodesign-Verantwortlichen und die Ausstattung mit entspre-chenden Mitteln und Werkzeugen.

Eine frühe Einbindung von Ecodesign in den Entwicklungsprozess ist von Vorteil, damit entsprechende Maßnahmen von Anfang an greifen. In der Praxis ist dies üblicherweise ein iteratives Verfahren, das sich auf wesent-liche Faktoren im Produktentwicklungsprozess konzentriert. Der PDCA-(Plan-Do-Check-Act-)Kreislauf, ein Werkzeug zur ständigen Verbesserung von Aspekten, führt z. B. zu einer kontinuierlichen Verbesserung.13

Zur Analyse bedarf es Indikatoren, die folgende Grundlagen berücksichti-gen sollten, um Ecodesign erfolgreich zu nutzen:14

• Die Bewertung der Umweltwirkungen muss sich auf die Funktion oder Leistungsfähigkeit des Produkts beziehen (absolute Höhe der Indikato-ren muss immer in Abhängigkeit zur erzeugten Funktion gesehen wer-den).

• Die Erkennung von Problemen muss zu Vorschlägen von Folgemaß-nahmen führen.

12 Vgl. ISO/TR 14062:2002-11. 13 Vgl. Vorest AG (kein Datum). 14 Vgl. ISO/TR 14062:2002-11.


• Es müssen ein Informationsmanagement, Werkzeuge und Techniken sowie geeignete Ausbildung oder Erfahrung des/der Ecodesigners/in vorliegen.

Werkzeuge zur Durchführung von Ecodesign befassen sich damit, heraus-zufinden und zu messen, ob und wie sich Umweltaspekte und Wirkungen auf die Umwelt durch Produkte und deren Nutzung verringern lassen. Dies kann qualitativ erfolgen, besser quantitativ, um direkte Vergleiche anhand von Indikatoren durchführen zu können.

Qualitative Werkzeuge können sein: Checklisten, Best-Practice-Anleitungen, Pareto-Diagramme oder SWOT-Analysen (Strength, Weakness, Opportunities, Threats), die allesamt zur Ideenfindung respekti-ve zur Orientierung dienen.15

Unumgänglich ist jedoch die Nutzung von Werkzeugen mit quantitativen Bewertungsmöglichkeiten, um Indikatoren erzeugen zu können. Hierbei ist in allen Standards und Normen immer der Lebenszyklusbezug gefordert. Dies ist die Methode der Ökobilanz. Zu den Daten für eine Ökobilanz zäh-len Vorder- und Hintergrunddaten:16

• Vordergrunddaten werden typischerweise aufgenommen, um das Pro-dukt zu spezifizieren, beispielsweise Materialgehalte in kg, Energiever-bräuche in kWh, Hilfsstoffverbrauch in kg oder Volumen oder direkt er-zeugte Emissionen an Standorten.

• Hintergrunddaten sind typischerweise Datensätze aus Ökobilanz-Datenbanken, welche Umweltprofile anbieten, um spezifische Werte zu lebenszyklusabschnittsbezogenen Ressourcenverbräuchen und Emissi-onen zur Verfügung zu stellen, z. B. bezogen auf einen Wertstoff wie das Umweltprofil von 1 kg Kupfer, 1 kWh Strom aus einem Kohlekraftwerk, 1 kWh Strom aus einem durchschnittlichen Strommix innerhalb Deutschlands etc.

15 Vgl. ISO/TR 14062:2002-11. 16 Vgl. Klöpffer und Grahl, S. 125 ff.


Die Aufnahme von Vordergrunddaten ist bereits ein Prozess, der oft weite-re Erkenntnisse zum vorher definierten System liefert. Auch ergeben sich neue Sichten auf bekannte Systeme und ermöglichen es, bisher verborgene Verbesserungspotenziale zu erkennen. Somit ist zusätzlicher Mehrwert gegeben, wenn dies in der Verantwortung des Unternehmens stattfindet. Der/die Ecodesign-Beauftragte muss über das Managementsystem das Recht besitzen, Daten aufzunehmen, und Zugriff auf Informationssysteme bekommen. Dieses Recht und der dazugehörige Mehraufwand für das Un-ternehmen müssen in der Pflicht begründet sein, Mehrwert für das Unter-nehmen und seine Produkte, Entscheidungsprozesse, die Forschung, Ent-wicklung, Materialwahl, Lieferantenauswahl, den Energie- und Hilfsstoff-verbrauch sowie die innere und äußere Kommunikation zu liefern.

Damit die aus dem Ecodesign-Prozess erstellten Indikatoren stabil und werthaltig sind, gibt es auch Anforderungen an die Hintergrunddaten, z. B. Qualität, Repräsentativität und Vollständigkeit.

Die Erstellung der Indikatoren sollte schnell und zuverlässig erfolgen, um den genannten PDCA-Kreislauf lebendig zu gestalten. Dies ist vor allem vor dem Hintergrund zu sehen, dass methodisch alle benötigten Indikatoren zur Verfügung stehen bzw. erstellt werden können. Ein entsprechendes Dokumentenmanagement oder eine Archivierung rundet den Ecodesign-Prozess ab und gestaltet ihn nachhaltig und mehrwertig.

4.3 Definition der Systemgrenzen

Die Definition der Systemgrenzen für die Elektromotoren folgt der „DIN EN 50598 -- Ökodesign für Antriebssysteme, Motorstarter, Leistungs-elektronik und deren angetriebene Einrichtungen“17 und beinhaltet

• die vorgelagerte Lebenswegphase,

• die Nutzungsphase und

• die nachgelagerte Lebenswegphase.

17 Vgl. DIN EN 50598-1:2014-01, DIN EN 50598-2:2015-05 und DIN EN 50598-3:2015-09.


Eine genaue Definition der Systemgrenzen ist insbesondere für Elektromo-toren von großer Bedeutung. Die DIN EN 50598 – „Ökodesign für Antriebs-systeme, Motorstarter, Leistungselektronik und deren angetriebene Ein-richtungen“ trägt diesem Umstand Rechnung, indem sie einen erweiterten Produktansatz (EPA) verfolgt. Abbildung 1 zeigt diesen Ansatz des erwei-terten Produkts modular.

Abbildung 1: Darstellung des erweiterten Produktansatzes (EPA) mit eingebautem Motorsystem (z. B. ein PDS, ein Motorstarter)18

Der erweitere Produktansatz nach DIN EN 50598 kombiniert hierbei meh-rere Elemente: das semi-analytische Modell (SAM) des Motorsystems sowie das SAM der angetriebenen Ausrüstung. Diese „SAMs“ sind notwendig, um die typischen relativen Verlustleistungen der einzelnen Komponenten des Systems nach dem erweiterten Produktansatz zu bestimmen und daraus dessen Gesamtverluste abzuleiten.

Abbildung 2 zeigt eine Übersicht der benötigten Elemente des erweiterten Produktansatzes.

18 Bild aus DIN EN 50598-3 (VDE 0160-203):2015-09, für die angemeldete limitierte Auflage,

wiedergegeben mit Genehmigung 42.018 des DIN Deutsches Institut für Normung e.V. und des VDE Verband der Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik e.V. Für weitere Wiedergaben oder Auflagen ist eine gesonderte Genehmigung erforderlich. Maßgebend für das Anwenden der Normen sind deren Fassungen mit dem neuesten Ausgabedatum, die bei der VDE VERLAG GMBH, Bismarckstr. 33, 10625 Berlin, www.vde-verlag.de, und der Beuth Verlag GmbH, 10772 Berlin erhältlich sind.


Abbildung 2: Arbeitsablauf zur Ableitung des Energieeffizienzindex eines erweiterten Produktes 19

Die Herangehensweise des EPA auf Basis der DIN EN 50598 erlaubt es, in geeigneter Weise zu verstehen, welche Bedeutung der Einzelmotor mit einer bestimmten Energieeffizienzklasse für die Energieeffizienz des ge-samten Systems aufweist. Das ist eine Voraussetzung, um bestmögliche ökologische wie ökonomische Entscheidungen treffen zu können, bei denen alle Lebenswegphasen mit Systembezug einbezogen werden.

(1) Vorgelagerte Lebenswegphase

Die Materialbeschaffungs- und Herstellungsphase von Elektromotoren und deren Umweltwirkungen sind von der gesamten Wertschöpfungskette abhängig. Im Detail sind dies der Rohstoffabbau, dessen Verarbeitung zu den benötigten Komponenten/Teilen sowie der Zusammenbau des finalen Produktes. Insbesondere der Rohstoffabbau und die Weiterverarbeitung nehmen großen Einfluss auf die Umweltwirkungen. Systemgrenzen be-rücksichtigen hierbei alle Faktoren, die für diese Phase von Relevanz sind,

19 Bild aus DIN EN 50598-3 (VDE 0160-203):2015-09, für die angemeldete limitierte Auflage,

wiedergegeben mit Genehmigung 42.018 des DIN Deutsches Institut für Normung e.V. und des VDE Verband der Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik e.V. Für weitere Wiedergaben oder Auflagen ist eine gesonderte Genehmigung erforderlich. Maßgebend für das Anwenden der Normen sind deren Fassungen mit dem neuesten Ausgabedatum, die bei der VDE VERLAG GMBH, Bismarckstr. 33, 10625 Berlin, www.vde-verlag.de, und der Beuth Verlag GmbH, 10772 Berlin erhältlich sind.


und ermöglichen so eine umfassende Abbildung sämtlicher Lebenszyklen und deren Prozesse.

Abbildung 3 zeigt exemplarisch, dass mit steigender Effizienzklasse typi-scherweise auch mehr Materialien im Motor oder Gesamtsystem verbaut werden, womit neben den ökologischen Wirkungen höhere Anschaffungs-kosten verbunden sind. Dies ist meist noch deutlicher ausgeprägt, wenn zusätzliche elektronische Elemente oder weitere Module des EPA hinzu-kommen.

• Dynamobleche• Stahl• Guss• Aluminium• Kupfer• Isolierharze• Farben und

Lacke• Gummi• Thermoplaste• Messing• Schmierfett

• Dynamobleche• Aluminium• Kupfer• Isolierharze

• Kupfer

Basismaterial-zusammensetzung

IE2

zusätzlich erforderliches Material

für IE3

zusätzlich erforderliches Material

für IE4

Abbildung 3: Materialien je Effizienzklasse20

(2) Nutzungsphase

Die Nutzungsphase von Elektromotoren ist charakterisiert durch das Be-triebsprofil und definiert durch die Zeitspanne, während der das System anhand spezifischer Betriebspunkte (Drehzahl/Drehmoment) operiert. Diese Betriebspunkte sind durch die Motorbelastung während einer be-stimmten Geschwindigkeit (in Prozent ihrer Nominalwerte) gekennzeich-net. Das typische Drehmoment/Drehzahl-Profil (Betriebsprofil) der ange-triebenen Ausrüstung sowie die im Motorsystem entstehenden relativen Verluste sind hierbei erforderliche Aspekte des erweiterten Produktansat-zes.

20 In Anlehnung an Auer und Meincke (2017).


(3) Nachgelagerte Lebenswegphase

Basierend auf repräsentativen Szenarien und der DIN EN 50598 werden für die Phase Verwertung bzw. Recycling (Kapitel 5.2.3) folgende Prozess-schritte für die Elektromotoren bzw. die elektromotorischen Systeme be-rücksichtigt:

• mechanische Trennung der Hauptmodule (z. B. Gehäuse, Stator, Rotor, Welle),

• Zerkleinern/Schreddern der Komponenten und

• Materialtrennung nach physikalischen Eigenschaften und Zuführung in die wesentlichen Sekundärrouten von Aluminium, Kupfer und Stahl so-wie Beseitigung über Verbrennung und/oder Deponierung.

Für die Prozesse der Materialtrennung wird ein gewisser Verlust in Pro-zent angenommen, dessen Wert z. B. marktüblichen Annahmen sowie relevanten Forschungsarbeiten entspricht.

Bei der Definition der Systemgrenzen werden die geografische, technologi-sche sowie zeitliche Repräsentativität sichergestellt. Beispielhaft wird hier die geografische Repräsentativität näher erläutert: Würde der ausgewählte Motor in Deutschland produziert, das Anwendungsszenario einen europa-weiten Einsatz vorsehen und die nachgelagerte Lebenswegphase ein nicht genauer geografisch spezifiziertes, weltweites Recyclingverfahren anneh-men, würde der Ansatz für alle genannten Fälle die spezifischen Energie-mixe berücksichtigen respektive virtuelle globale Strommixe.

4.4 Definition der funktionellen Einheit Mit der Festlegung der funktionellen Einheit und des Untersuchungsrah-mens werden alle relevanten Rahmenbedingungen für die ökologische Bewertung und die ökonomische Analyse getroffen. Da diese Festlegungen einen wesentlichen Einfluss auf die Vorgehensweise der nachfolgenden Arbeitspakete ausüben, bleiben die Festlegungen über den gesamten Ver-lauf der Studie bestehen und werden nur im Falle grundlegender Verände-rungen zur ursprünglichen Zielsetzung angepasst. Diese Iterationsschlei-


fen sind auch laut DIN EN ISO 14040/4421 bei Ökobilanzen üblich und dienen vor allem der harmonischen Abstimmung von Ziel- und Rahmen-festlegung mit dem endgültigen Ergebnis, welches immer von den gewon-nenen Erkenntnissen, verfügbaren Daten und notwendigerweise getroffe-nen Annahmen abhängt.

Alle Ergebnisse und Umweltindikatoren einer Studie beziehen sich auf die funktionelle Einheit, die somit üblicherweise eine physikalische Größe wie 1 kg, 1 m, 1 Stück oder Ähnliches ist. Im Falle von vergleichenden Ökobi-lanzen obliegt der funktionellen Einheit auch die Aufgabe, die Funktion beider Systeme vergleichbar darzustellen. Dies führt häufig zu Problemen, da Systeme oftmals viele Funktionen oder Zusatzfunktionen erfüllen, die nicht nur in einer einzigen physikalischen Größe darstellbar sind. Bei-spielsweise hat das Drehmoment eines Motors in einem Arbeitspunkt und das gesteuerte Drehmoment eines Motors in mehreren Betriebspunkten bei in der Summe identischen Drehmomenten für beide Elektromotoren nicht dieselbe Funktion, wäre aber dieselbe funktionale Einheit. Kapitel 4.5 be-fasst sich näher mit dem Thema Funktion von Motorsystemen, das Kapi-tel 5.2.2 liefert diesbezüglich das Ergebnis zur Wahl der funktionellen Einheit für beide Szenarien, den „Technologievergleich“ und den „System-vergleich“. Die Entscheidung, zwei getrennte Szenarien zu behandeln, gründet u. a. auf der Problematik, eine geeignete funktionelle Einheit für einfache und komplexe Motorsysteme zu finden. Das abgegebene Dreh-moment eines Einzelmotors ist nicht immer als funktionelle Einheit für ein komplexes Motorsystem geeignet. Hier ist die Anforderung an die Funktion im Einsatzfall (z. B. erzeugt durch Drehmoment) und nicht das abgegebene Drehmoment selbst wichtig.

4.5 Funktion, Verbrauch, Verlust Die dargestellten Themen der vorangestellten Kapitel münden in einer Übersicht zu Funktionen von Motorsystemen, aus denen sich das Thema Verbrauch und Verlust ableitet. Dieses Kapitel dient dazu, ein besseres Verständnis hinsichtlich der Wahl der funktionellen Einheit zu vermitteln

21 Vgl. DIN EN ISO 14040:2009-11 und DIN EN ISO 14044:2006-10.


und den Nutzen der vorliegenden Studie in zukünftigen Anwendungen von Ökobilanzen zu Motorsystemen darzulegen. Auch beinhaltet es den Stel-lenwert des Themas Effizienz und seine Verknüpfung mit dem Systemden-ken.

Wie bereits in Kapitel 4.4 dargestellt, ist der Nutzen eines Elektromotors über ein bereitgestelltes Drehmoment oftmals nicht ausreichend erläutert. Kapitel 4.3 und die DIN EN 5059822 beschreiben ausführlich die Berück-sichtigung eines Motorsystems, da in komplexen Anforderungen oftmals ein Einzelmotor keine Lösungsoption ist. Insbesondere in komplexen oder intelligent gesteuerten Systemen ist eine Vielzahl von Funktionen u. a. auch von der Zeit abhängig. Es stellen sich drei Ebenen dar, auf die sich eine funktionelle Einheit beziehen kann (siehe Kapitel 5 und 6):

• die Anforderungsebene, welche üblicherweise die eigentliche Nutzung beschreibt, wie beispielsweise Raumkühlung auf x Grad von y Volumen (Lösung: Verdichten und Entspannen eines Kältemittels mittels Motor-system), Transportieren eines bestimmten Mediums einer bestimmten Menge über einen bestimmten Zeitraum oder innerhalb einer bestimm-ten Zeitspanne,

• die Motorsystemebene, welche die Zusammenstellung aller notwendigen Komponenten darstellt, inklusive Steuerung, Sensorik und Intelligenz des Systems, um die Anforderungsebene zu bedienen, sowie

• die Motorebene, welche lediglich den Einzelmotor betrachtet, der als Aktor Kern des Systems sein kann, aber nicht muss, und dessen Effizi-enz aufgrund der Technologie und Bauweise vorgegeben ist.

Alle drei Ebenen können als eine funktionelle Einheit auf Basis einer oder mehrerer physikalischer Größen dienen. Die Motorebene stellt dabei den einfachsten Fall dar, beispielsweise ein bereitgestelltes Drehmoment über eine bestimmte Zeit. In diesem Fall lassen sich auch Verlust und Ver-brauch klar abgrenzen. Denn die Wahl des Motors legt den Verbrauch



dahingehend fest, dass der Motor in einer bestimmten Leistungsklasse betrieben wird und abhängig vom Arbeitspunkt eine definierte Effizienz hat. Diese definiert den Verlust und zeigt, dass die Effizienz signifikant den Verlust bestimmt. Dies ist u. a. die Basis für das Szenario „Technologiever-gleich“ (Kapitel 5.1.1).

Bereits auf der Motorsystemebene kann eine Vielzahl an Steuerungs- und Regelelementen dazu beitragen, dass sich Verbrauch und Verlust nur unter Berücksichtigung aller Systemkomponenten darstellen lassen (siehe EN 5059823). Fallabhängig kann die Funktion von elektromotorischen Systemen nicht über das bereitgestellte Drehmoment definiert werden, sondern es muss z. B. ein variables Drehmoment über einen bestimmten Zeitraum vorliegen. Die Wahl der Systemkomponenten und der Grad der „Intelligenz“ des Systems entscheiden signifikant über Verbrauch und Verlust. Die Effizienz des Motors selbst hat fallabhängig Einfluss auf den Verlust, der von irrelevant bis signifikant variieren kann. Als Beispiel sei eine Lastspitze über einen bestimmten Zeitraum angenommen, die aber nur gelegentlich auftritt. Ein starres System würde einen Motor benötigen, der so ausgelegt ist, dass die Lastspitze bedient werden kann, jedoch für die restliche Zeit des Belastungsprofils geregelt werden müsste, um effi-zient zu laufen. Alternativ böte sich die Wahl von zwei Elektromotoren an (gegebenenfalls auch ohne Regelung), wobei sich die Lastspitze durch Zuschaltung des zweiten Motors bedienen ließe, die Grundlast aber durch einen kontinuierlich laufenden Motor ausreichend abgedeckt werden könn-te.

Der Verbrauch und Verlust hängen sehr stark vom Lösungskonzept des Motorsystems ab, damit die Anforderung erfüllt wird und die „Intelligenz“ des Motorsystems zum Konzept passt. Der Fokus auf Motoreffizienz ist dann nur ein Aspekt unter vielen, die den Verlust bestimmen. Als Beispiel sei die oben dargestellte Lastspitze über einen bestimmten Zeitraum ange-nommen. Neben den Optionen der Wahl des Motorsystems bieten sich hier weitere Maßnahmen an, um ein effizientes Gesamtkonzept zu liefern. So besteht beispielsweise die Möglichkeit, dass sich die Lastspitze aus der



Überlagerung des Eintritts zweier getrennter Teilanforderungen ergibt. Diese sind gegebenenfalls zeitlich trennbar, sodass die Lastspitze entzerrt, über die Zeit gestreckt und somit im Lastprofil flacher wird. Auf diese Wei-se könnte bereits die Motorsystemauslegung niedriger ausfallen. Dies führt unabhängig von der Effizienz des Einzelmotors zu einer Verbrauchsminde-rung. Die Effizienz spielt dann im Vergleich der Verbräuche der Lösungs-konzepte eventuell keine Rolle. Eine ähnliche Entzerrung der Lastspitze ist auch dadurch denkbar, dass die Anforderung selbst anders definiert wird. So könnte das Anforderungsprofil in Teilsysteme differenziert werden, die zeitlich verteilt auftreten, sodass somit die Lastverteilung niedriger ausfal-len kann. Dann kann die Anforderung entsprechend mit einem ver-brauchsärmeren System erfüllt werden.

Natürlich decken die Beispiele nicht alle Arten und Möglichkeiten der Verbrauchsminderung ab. Aber es wird deutlich, dass Effizienz und der Verlust eines Motors oder des elektromotorischen Systems nicht immer die verbrauchsoptimalste Option darstellen. Aus Sicht der Lebenswegbewer-tung ist anzumerken, dass die funktionelle Einheit so gewählt werden sollte, dass die Eigenschaften und Optionen der Anwendungsebene sowie die der Komponenten auf elektromotorischer Systemebene berücksichtigt werden und nicht nur die Effizienz- oder Leistungsklasse des Einzelmotors. Oft spielt der zeitliche Aspekt ebenfalls eine Rolle. Die Fallbeispiele aus Kapitel 5 und deren Ergebnisse aus Kapitel 6 sind so gewählt, dass einer-seits ein einfacher Technologievergleich gewählt wurde, um das Thema Lebenswegbewertung von verschiedenen Motoreffizienzen eingehend dar-zustellen. Andererseits wurde ein Systemvergleich vorgenommen, der verschiedene Betriebspunkte berücksichtigt, um den Systemgedanken transportieren zu können. In beiden Szenarien wurden die funktionellen Einheiten so gewählt, dass die Funktionen der Szenarien angemessen be-rücksichtigt sind.

46 Festlegungen für die Szenarien

5 FESTLEGUNGEN FÜR DIE SZENARIEN

Die folgenden Kapitel geben eine Übersicht zu den beiden Szenarien „Technologievergleich“ sowie „Systemvergleich“ und richten sich nach der Berichtsstruktur für Ökobilanzen nach DIN EN ISO 14040/44.24

5.1 Ziele und Produktsysteme

5.1.1 Szenario „Technologievergleich“

Ziele des Szenarios „Technologievergleich“ sind:

• den Effekt höherer Effizienzklassen im direkten Vergleich darzustellen,

• das Verhältnis von Herstellung und Materialeinsatz (z. B. mehr Kupfer) zur Nutzungsphase (weniger Stromverbrauch durch erhöhte Effizienz) und Entsorgung darzustellen und

• zu evaluieren, ob und wann sich ein lebenswegübergreifendes, positives Ergebnis bei höherer Investition darstellt.

Das Szenario „Technologievergleich“ ist ein direkter Vergleich von asyn-chronen Elektromoren mit 1,1 kW in den drei unterschiedlichen Effizienz-klassen IE2, IE3 und IE4 im Netzbetrieb bei 75 % Last. Dieses Szenario vergleicht direkt die IE-Klassen entlang des gesamten Lebenswegs der Elektromotoren: vorgelagerte Lebenswegphase, Nutzungsphase und die nachgelagerte Lebenswegphase. Die betrachteten Elektromotoren gehören derselben Produktfamilie an (gleiche Technologie, gleiche Leistung, siehe auch Tabelle 1).

Die Ergebnisse dienen dazu, ein besseres Verständnis zur Lebenswegbe-wertung und einer ökonomischen Bewertung zu entwickeln, und sind re-präsentativ für den gewählten Anwendungsfall.

24 Vgl. DIN EN ISO 14040:2009-11 und DIN EN ISO 14044:2006-10.

Festlegungen für die Szenarien 47

5.1.2 Szenario „Systemvergleich“

Ziel dieses Szenarios ist es, den Systemansatz zu vermitteln. Hierbei ist es entscheidend, die Anforderung seitens der Anwendung so zu definieren, dass ein Lastenheft erstellt werden kann, zu dem entsprechende Module und Motorsystemkomponenten nach dem EPA (DIN EN 50598-125) ausge-sucht werden können. Diese Komponenten liefern entsprechend ihren an das spezifizierte System angepassten Parametern die jeweiligen Randbe-dingungen, um die Lebenswegbewertung vornehmen zu können.

Das Szenario „Systemvergleich“ berücksichtigt beispielhaft einen dreh-zahlsteuerungsrelevanten Vorgang (Einsatz von Frequenzumrichter erfor-derlich), um den Systemansatz darzustellen. In dem Fall werden trocken aufgestellte Kreiselpumpen auf einem Fundament in der Leistungsklasse von 18,5 kW im Netzbetrieb in zwei unterschiedlichen Effizienzklassen berücksichtigt (IE3-Asynchronmotor mit Frequenzumrichter vs. IE4-Reluktanzmotor mit Frequenzumrichter26 (elektromotorisches System mit Effizienzklasse IE5) bzw. IE3-Asynchronmotor mit Frequenzumrichter vs. IE3-Asynchronmotor ohne Frequenzumrichter). Die Anforderungen an das elektromotorische System wären z. B. das Pumpen von Schmutzwasser oder von chemischen Lösungen über eine bestimmte Zeit mit variabler Last.

Das Szenario „Systemvergleich“ vergleicht über vier verschiedene Anwen-dungsfälle optionale und hypothetische Systemlösungen entlang des ge-samten Lebenswegs des EPA nach DIN EN 5059827: vorgelagerte Lebens-wegphase, Nutzungsphase und die nachgelagerte Lebenswegphase. Die betrachteten Elektromotoren sind wesentlicher Bestandteil der Systeme. Ein direkter Technologievergleich ist nicht sinnhaft, da es bei dem Sys-temansatz mehr um eine exemplarische Darstellung möglicher Optimie-rungspotenziale geht.

25 Vgl. DIN EN 50598-1:2014-01. 26 Ein Reluktanzmotor (Permanentmagnetmotor) kann nur in Kombination mit einem

Frequenzumrichter betrieben werden. 27 Vgl. DIN EN 50598-1:2014-01, DIN EN 50598-2:2015-05 und DIN EN 50598-3:2015-09.


Dazu werden ein IE3-Asynchronmotor mit Frequenzumrichter und ein IE4-Reluktanzmotor miteinander verglichen, einerseits bei niedrigen Betriebs-zeiten und variablen Betriebspunkten sowie Last-Zeit-Profilen (Anwen-dungsfall 1), andererseits bei hohen Betriebszeiten und ebenfalls variablen Betriebspunkten sowie Last-Zeit-Profilen (Anwendungsfall 2). Um den Systemgedanken weiter zu unterstützen, wird zusätzlich ein „Negativsze-nario“ als Sensitivitätsanalyse einbezogen. Die Betriebspunkte und Last-Zeit-Profile werden hin zu einem fixen Betriebs-/Lastzeitpunkt geändert (Anwendungsfall 3). Diese zusätzliche Sensitivitätsanalyse ermöglicht zudem den Vergleich zwischen einem IE3-Asynchronmotor mit und ohne Frequenzumrichter (Anwendungsfall 4). Dabei ist der Frequenzumrichter im letzten Anwendungsfall ohne Nutzen (statischer Lastpunkt) und stellt lediglich einen zusätzlichen verlustrelevanten Verbraucher im System dar.

Die Ergebnisse dienen dazu, ein besseres Verständnis der Lebenswegbe-wertung und einer ökonomischen Analyse bei einer Systemanalyse zu erhalten. Die einzelnen Werte der Ergebnisse je Indikator sind nicht reprä-sentativ für den gewählten Anwendungsfall. Nur die Gesamtbewertung des Systems liefert eine ausreichende Aussagekraft über die Lebenswegbewer-tung. Die Wahl der IE-Klasse im Systemansatz allein genügt nicht.

5.2 Untersuchungsrahmen

Die folgenden Abschnitte beschreiben den allgemeinen Untersuchungs-rahmen der Studie, basierend auf den genannten Zielen. Dies beinhaltet unter anderem die Identifizierung der zu untersuchenden Produktsysteme, ihre Funktion(en), die funktionelle Einheit und Referenzflüsse sowie die Systemgrenze, Allokationsverfahren und Abschneidekriterien der Studie.

5.2.1 Zu untersuchende Produktsysteme

5.2.1.1 Szenario „Technologievergleich“ Aufgrund des statischen Betriebspunktes (nach EN 5059828, Operation Point (OP)) der Nutzungsphase beinhalten die zu vergleichenden Produkt-



systeme lediglich die einzelnen Asynchronmotoren und sind somit auch direkt vergleichbar hinsichtlich Funktion und Ausbau der Produktsysteme.

Innerhalb der Vielzahl von Elektromotorentypen und deren Bauformen stellen die ausgesuchten Produkte lediglich spezifische Einzelprodukte dar. Deren Zusammensetzung (Stückliste, Materialien, siehe Anhang 4) ist im Detail nicht exakt repräsentativ für die gesamte Gruppe, wohl kann die grundsätzliche Verteilung der Materialien aber als repräsentativ innerhalb der Produktgruppe gelten. Hierzu zählt vor allem die Tatsache, dass Kup-fer, Aluminium und Stahl die Hauptkomponenten darstellen. Im Einzelfall unterliegen deren exakte Mengen und das Vorhandensein weiterer Materi-alien den individuellen Gegebenheiten.

5.2.1.2 Szenario „Systemvergleich“

Aufgrund der dynamischen Betriebspunkte (nach EN 50598, Operation Point (OP)) der Nutzungsphase beinhalten die zu vergleichenden Produkt-systeme einzelne Asynchronmotoren, Frequenzumrichter und Reluktanz-motoren. Nur die Gesamtsysteme sind hinreichend vergleichbar bezogen auf Funktion und Erfüllung der Anforderung.

Innerhalb der verschiedenen Elektromotorentypen und deren Bauformen stellen die ausgesuchten Produkte lediglich spezifische Einzelprodukte dar. Deren Zusammensetzung (Stückliste, Materialien, siehe Anhang 4) ist im Detail nicht exakt repräsentativ für die jeweiligen Module, jedoch kann die grundsätzliche Verteilung der Materialien als durchaus repräsentativ in-nerhalb der Produktmodule gelten. Hierzu zählt vor allem die Tatsache, dass Kupfer, Aluminium, Stahl und Magnete, die Seltene Erden enthalten, die Hauptkomponenten der Elektromotoren bilden wie auch Elektronik-komponenten mit Gehäusematerialien typisch für Frequenzumrichter sind. Im Einzelfall unterliegen deren exakte Mengen und das Vorhandensein weiterer Materialien den individuellen Gegebenheiten.


5.2.2 Produktfunktion(en) und funktionelle Einheit

5.2.2.1 Szenario „Technologievergleich“ Mögliche Anwendungsfälle für das Szenario „Technologievergleich“ sind z. B. Förderbänder, Pumpen oder Ventilatoren. Im vorliegenden Fall basiert die Energieumwandlung auf der Asynchronmotortechnologie.

Die funktionelle Einheit definiert sich folgendermaßen:

Bereitstellung von mechanischer Energie in kWh für einen industrierele-vanten Nutzungsfall (z. B. Förderband, Pumpe oder Ventilator) durch elekt-rische Motoren mit definierter Nennleistung (1,1 kW) in drei Effizienzklas-sen (IE2, IE3, IE4) über einen festgelegten Zeitraum (5.000 Stunden pro Jahr über 15 Jahre) in einem bestimmten Lastpunkt. Speziell für die Nut-zungsphase werden sowohl der Gesamtverbrauch als auch der Verlust berücksichtigt. In der Diskussion der Ergebnisse wird lediglich der Verlust als variable Größe betrachtet.

Der Referenzfluss ist [kg] Elektromotor, das Szenario „Technologiever-gleich“ beinhaltet einen IE2-Elektromotor mit ca. 11 kg Gesamtgewicht.


Mögliche Anwendungsfälle für das Szenario „Systemvergleich“ sind z. B. das Pumpen von Schmutzwasser oder von chemischen Lösungen. Im vor-liegenden Fall basiert die Energieumwandlung auf der Asynchronmotor-technologie mit und ohne Frequenzumrichter sowie auf der Permanent-magnetmotorentechnologie (Reluktanzmotor), welche immer mit einem Frequenzumrichter betrieben wird.

Die funktionelle Einheit definiert sich folgendermaßen:

Bereitstellung von mechanischer Energie in kWh für einen industrierele-vanten Nutzungsfall (z. B. das Pumpen von flüssigen Lösungen) durch elektromotorische Systeme mit definierter Nennleistung (18,5 kW) in zwei Leistungsklassen (IE3 und elektromotorisches System mit Effizienzklasse IE5 (IE4 Reluktanzmotor mit Frequenzumrichter)) über einen festgelegten Zeitraum (variabel, je nach Anwendungsfall 2.000 Stunden über 15 Jahre


oder 7.500 Stunden über 10 Jahre) in mehreren bestimmten Lastpunkten. Speziell für die Nutzungsphase werden sowohl der Gesamtverbrauch als auch der Verlust berücksichtigt. In der Diskussion der Ergebnisse wird lediglich der Verlust als variable Größe betrachtet.

Der Referenzfluss ist [kg] Elektromotor, das Szenario „Systemvergleich“ beinhaltet einen IE3-Asynchronmotor mit Frequenzumrichter mit ca. 250 kg Gesamtgewicht.

5.2.3 Systemgrenzen

5.2.3.1 Szenario „Technologievergleich“ Die Systemgrenzen für alle drei Elektromotoren umfassen sämtliche Le-benswegphasen des zu betrachtenden Produkts, somit von „der Wiege bis zur Bahre“ („Cradle-to-Grave“).

Vorgelagerte Lebenswegphase

Die vorgelagerte Lebenswegphase, also die Materialbeschaffungs- und Herstellungsphase von Elektromotoren, ist von der gesamten Wertschöp-fungskette abhängig. Es liegt hierfür eine vereinfachte Stückliste (siehe Anhang 4) vor, d. h., Informationen über die Materialzusammensetzung sind für das gesamte Produkt verfügbar und nicht für einzelne Komponen-ten im Detail. Für die finalen Ergebnisse bedeutet dies, dass die Verarbei-tung der Rohstoffe zu Komponenten sowie der Zusammenbau zum finalen Produkt mit repräsentativen Industrieprozessen aus GaBi-Datenbanken abgebildet werden, um ein vollständiges Bild der Herstellungsphase zu erhalten.

Transport zur Nutzung

Der Transport der fertiggestellten Elektromotoren wird aufgrund vernach-lässigbar kleiner Umweltwirkung nicht berücksichtigt. Diese Annahme wird einer Sensitivitätsanalyse unterzogen und im Detail in Kapitel 6.1.4 beschrieben.


Nutzung

Die Nutzungsphase findet in Europa statt und ist charakterisiert durch das folgende Betriebsprofil.

Tabelle 2: Betriebspunkte und Last-Zeit-Profil für das Szenario „Technologievergleich“

Betriebs-punkte

Last [%] Zeit [%] Zeit [h/a] Motoreffizienz [%]

IE2-Asynchronmotor OP1 75 80 4.000 81 OP2 0 20 1.000 81



Diese Betriebspunkte sind durch die Motorbelastung mit einem konstanten Lastprofil (in Prozent ihrer Nominalwerte) und einer konstanten Geschwin-digkeit charakterisiert. Das typische Drehmoment/Drehzahl-Profil (Be-triebsprofil) der angetriebenen Ausrüstung sowie die im Motorsystem ent-stehenden relativen Verluste sind hierbei erforderliche Aspekte des erwei-terten Produktansatzes.

Neben der eigentlichen Nutzung sind Reparatur, Wartung und Instandhal-tung zu hinterfragen. Da diese Aspekte im Allgemeinen von Herstellern und Anwendern sowie vom individuellen Anwendungsfall (Ort, Umgebung, thermische und sonstige Beanspruchung, Einbau etc.) abhängen, werden sie nicht weiter berücksichtigt. Im Zuge einer Sensitivitätsanalyse wird das Thema jedoch angerissen, indem beispielsweise der Herstellungsaufwand als „worst case“ angenommen und untersucht wird (siehe Kapitel 6.1.5).

Transport zur Entsorgung

Der Transport der ausgemusterten Elektromotoren zur Entsorgung wird aufgrund vernachlässigbarer kleiner Umweltwirkung nicht berücksichtigt. Diese Annahme wird im Detail einer Sensitivitätsanalyse unterzogen und in Kapitel 6.1.4 beschrieben.


Entsorgung

Die nachgelagerte Lebenswegphase berücksichtigt folgende Prozessschritte (basierend auf den Ergebnissen des Workshops), die unter europäischen Rahmenbedingungen stattfinden:

• mechanische Trennung der Hauptmodule (z. B. Gehäuse, Stator, Rotor, Welle),

• Zerkleinern/Schreddern der Komponenten (z. B. Gehäuse, Stator, Rotor, Welle),

• Materialtrennung nach physikalischen Eigenschaften (Aluminium, Kup-fer, Stahl, Plastik),

• Verbrennung der Kunststoffanteile und

• Deponierung.

Eine Berücksichtigung von Gutschriften erfolgt nicht, da auch hier das sogenannte „Cut-off-Prinzip“ angewendet wird (Kapitel 5.2.5). Nähere De-tails zu dem o. g. Verfahren und der Modellierung können beim Auftrag-nehmer angefragt werden.

Zusammenfassung der Systemgrenzen

Zusammenfassend zeigt Abbildung 4 die Systemgrenze in der Übersicht.

Rohstoffherstellung 1



Rohstoffherstellung n

Bauteilherstellung 1

Bauteilherstellung n

Montage des

Motors

Nutzung des

Motors

Entsorgung inkl. Materialrecycling, Verwertung und

Beseitigung

Abbildung 4: Übersicht der gesetzten Systemgrenzen


Tabelle 3 liefert hierzu eine Übersicht der enthaltenen und ausgeschlosse-nen Aspekte des zu betrachtenden Systems.

Tabelle 3: Systemgrenzen, eingeschlossene und ausgeschlossene Aspekte des Lebenszyklus

Eingeschlossen Ausgeschlossen Herstellung Rohstoffe (Primärdaten) Reparatur, Wartung und Instandhaltung Herstellung Bauteile (repräsentative Industrie-abschätzungen) Investitionsgüter Zusammenbau Motor (Stücklisten, Primärdaten, Aufwand für Zusammenbau, repräsentative Industrieabschätzungen) Arbeitszeit/-aufwand und menschliche Arbeit Nutzung (Primärdaten) Intralogistik Entsorgung inklusive Recycling und Deponie (repräsentative Industrieabschätzungen)


Die Systemgrenzen für die beiden Elektromotorsysteme umfassen alle Lebenszyklusphasen des zu betrachtenden Produkts, also von „der Wiege bis zur Bahre“ („Cradle-to-grave“). Da sich dieses Szenario nur in der Nut-zungsphase vom Szenario „Technologievergleich“ unterscheidet, werden hier lediglich die Nutzungsphase und ein weiterer Aspekt der nachgelager-ten Lebensphase beschrieben.

Nutzung

Die nachfolgenden Absätze beschreiben die festgelegten Betriebsparameter für die unterschiedlichen Anwendungsfälle des Szenarios „Systemver-gleich“. Dies beinhaltet die Last, die jährliche Betriebszeit sowie die Effizi-enz des Gesamtsystems (Motor und Frequenzumrichter) im jeweiligen Betriebspunkt. Die Gesamteffizienz η eines Motorsystems berechnet sich aus dem Verhältnis der abgegebenen und der zugeführten Leistung29:

29 Vgl. Klähn (2018).


𝜂𝜂 =𝑃𝑃𝑎𝑎𝑎𝑎𝑃𝑃𝑧𝑧𝑧𝑧

=𝑃𝑃𝑧𝑧𝑧𝑧 − 𝑃𝑃𝑣𝑣𝑃𝑃𝑧𝑧𝑧𝑧

= 1 −𝑃𝑃𝑣𝑣𝑃𝑃𝑧𝑧𝑧𝑧

• Pab: abgegebene Leistung [W]

• Pzu: zugeführte Leistung [W]

• Pv: absolute Verlustleistung [W]

• Pv/Pzu: relative Verlustleistung [-]

Die Verlustleistung eines Motorsystems berechnet sich nach DIN EN 50598 Blatt 2 aus der Summe der Verlustleistungen der Einzel-komponenten des Systems (z. B. Motor und Frequenzumrichter)30. Mit der Gesamtverlustleistung kann dann die Gesamteffizienz eines Systems be-rechnet werden. Die Nutzungsphase findet in Europa statt und ist charak-terisiert durch die folgenden Betriebsprofile für vier unterschiedliche An-wendungsfälle.

Anwendungsfall 1: niedrige Betriebszeit, variable Betriebspunkte (OP)

Der Pumpeneinsatz bei den Schmutzwassersystemen ist durch eine kürze-re Betriebszeit von 2.000 h charakterisiert. Dabei werden ein IE3-Asynchronmotor mit Frequenzumrichter sowie ein IE4-Reluktanzmotor (System IE5) über mehrere Betriebspunkte mit verschiedener Auslastung berücksichtigt (Tabelle 4).

30 Vgl. DIN EN 50598-2:2015-05, siehe Anhang A, S. 64, 65 und Tabelle G.3 – Ergebnisse der CDM –

Berechnung nach dem mathematischen Modell, S. 118.


Tabelle 4: Betriebspunkte/Last-Zeit-Profil für das Szenario „Systemvergleich“, Anwendungsfall 1

Betriebs-punkte

Last [%] Zeit [%] Zeit [h/a] Effizienz Ge-samtsystem [%]

IE3-Asynchronmotor mit Frequenzumrichter OP1 85 2 40 93 OP2 42 19 380 93 OP3 0 79 1.580 93

IE4-Reluktanzmotor mit Frequenzumrichter OP1 85 2 40 95 OP2 42 19 380 95 OP3 0 79 1.580 95

Anwendungsfall 2: hohe Betriebszeit, variable Betriebspunkte (OP)

Der Pumpeneinsatz in einer Chemieanlage ist durch eine längere Betriebs-zeit von 7.500 h charakterisiert. Dabei werden ein IE3-Asynchronmotor mit Frequenzumrichter und ein IE4-Reluktanzmotor (System IE5) über mehrere Betriebspunkte mit verschiedener Auslastung berücksichtigt (Tabelle 5).


Betriebs-punkte

Last [%] Zeit [%] Zeit [h/a] Effizienz Gesamt-system [%]

IE3-Asynchronmotor mit Frequenzumrichter OP1 85 12,5 937,5 93 OP2 77 83,3 6.247,5 93 OP3 0 4,2 315 93

IE4-Reluktanzmotor mit Frequenzumrichter OP1 85 12,5 937,5 95 OP2 77 83,3 6.247,5 95 OP3 0 4,2 315 95

Anwendungsfall 3: hohe Betriebszeit, ein Betriebspunkt (OP)

Der Dauerpumpeneinsatz in einer Anlage ist durch eine längere Betriebs-zeit von 7.500 h bestimmt. Dabei werden ein IE3-Asynchronmotor mit Frequenzumrichter und ein IE4-Reluktanzmotor (System IE5) über einen Betriebspunkt mit Dauerlast berücksichtigt (Tabelle 6).



Betriebs-punkte


IE3-Asynchronmotor mit Frequenzumrichter OP1 85 100 7.500 93 OP2 0 0 0 0

IE4-Reluktanzmotor mit Frequenzumrichter OP1 85 100 7.500 95 OP2 0 0 0 0

Anwendungsfall 4: hohe Betriebszeit, ein Betriebspunkt, Asynchron-motor mit und ohne Frequenzumrichter

Der Dauereinsatz in einer Anlage ist durch eine längere Betriebszeit von 7.500 h bestimmt. Dabei wird ein IE3-Asynchronmotor jeweils mit und ohne Frequenzumrichter über einen Betriebspunkt mit Dauerlast berück-sichtigt. Wie Tabelle 7 zu entnehmen, wird die Gesamteffizienz im Motor-system durch den Frequenzumrichter verringert. Dies ist darauf zurückzu-führen, dass ein Frequenzumrichter bei einer statischen Dauerlast keine Auswirkungen auf die Effizienz ausübt, sondern lediglich einen weiteren Verbraucher im System darstellt und somit die Verlustleistung erhöht (Tabelle 7).


Betriebs-punkte


IE3-Asynchronmotor mit Frequenzumrichter OP1 85 100 7.500 93 OP2 0 0 0 93

IE3-Asynchronmotor ohne Frequenzumrichter OP1 85 100 7.500 94,4 OP2 0 0 0 94,4

Die Betriebspunkte aller vier Anwendungsfälle im Szenario „Systemver-gleich“ sind durch die Motorbelastung mit einem variablen oder konstan-ten Lastprofil (in Prozent ihrer Nominalwerte) und folglich einer variablen oder konstanten Geschwindigkeit festgelegt. Das typische Drehmo-ment/Drehzahl-Profil (Betriebsprofil) der angetriebenen Ausrüstung sowie die im elektromotorischen System entstehenden relativen Verluste sind hierbei erforderliche Aspekte des erweiterten Produktansatzes.


Neben der eigentlichen Nutzung sind Reparatur, Wartung und Instandhal-tung zu hinterfragen. Diese Aspekte sind im Allgemeinen abhängig vom Hersteller und Anwender sowie individuellen Anwendungsfall (Ort, Umge-bung, thermische und sonstige Beanspruchung, Einbau etc.). Insbesondere in komplexen Systemen können keine pauschalen Annahmen getroffen werden, da sie sehr vom jeweiligen System und Wartungsvertrag abhän-gen. Wartung und Reparatur werden daher nicht berücksichtigt. Im Gegen-satz zum Szenario „Technologievergleich“ bietet sich beim Szenario „Sys-temvergleich“ kein logischer „worst case“ an. Anhand der Ergebnisse (Ka-pitel 6.1) und des Verhältnisses von Herstellung bzw. Entsorgung zur Nut-zungsphase kann ein mögliches Potenzial zu Signifikanz oder Irrelevanz von Wartung und Reparatur abgeleitet werden sowie entsprechend den Beiträgen aus der Herstellung bzw. Entsorgung als grober Anhaltspunkt dienen.

Entsorgung

Die Elektronik des Frequenzumrichters im Szenario „Systemvergleich“ wird separat und entsprechend einem marktüblichen Entsorgungsprinzip für Elektronik behandelt. Das Modell berücksichtigt dabei, dass die Palladi-um-, Kupfer-, Platin-, Gold- und Silberanteile von der Leiterplatte getrennt und entsprechend einem metallurgischen Recycling zugeführt werden. Der Rest der Leiterplatte wird fachgerecht verbrannt. Eine Berücksichtigung von Gutschriften erfolgt nicht, da auch hier das sogenannte „Cut-off-Prinzip“ angewendet wird (Kapitel 5.2.5).

5.2.4 Allokation der Entsorgungsphase

Für beide Szenarien, „Technologievergleich“ sowie „Systemvergleich“, folgt das Materialrecycling dem sogenannten „Cut-off-Prinzip“, d. h., Schrottein-gänge in die Herstellungsphase bleiben offen. Die Systemgrenze am Le-bensende wird am Punkt der Schrottsammlung gezogen, was auch zu ei-nem offenen Schrott-Output am Lebensende führt. Die weitere Verarbei-tung und das Recycling des Schrottes werden dem nachfolgenden Lebens-zyklus zugeordnet und sind nicht Teil dieser Studie.


5.2.5 Abschneidekriterien

Für diese Studie sind für beide Szenarien, „Technologievergleich“ und „Systemvergleich“, keine Abschneidekriterien definiert. Wie in Kapi-tel 5.2.3 beschrieben, ist die Systemgrenze in Hinblick auf die allgemeine Relevanz in Bezug auf das Ziel der Studie definiert. Für Prozesse innerhalb der Systemgrenze werden alle verfügbaren Energie- und Stoffstromdaten in das Modell aufgenommen. Aufgrund der vernachlässigbaren Relevanz der Transporte werden diese Aufwendungen nicht berücksichtigt. In Fällen, in denen keine passenden Inventare verfügbar sind, um einen Eingang oder Ausgang zu repräsentieren, werden Expertenabschätzungen auf Basis konservativer Annahmen hinsichtlich der Umweltauswirkungen verwen-det.

5.2.6 Auswahl der Wirkungsabschätzungsmethodik und der Indikatoren

Die Indikatoren für die Auswertung der Ergebnisse der Ressourceneffi-zienzbewertung für beide Szenarien, „Technologievergleich“ und „System-vergleich“, sind:

• Der „Kumulierte Energieaufwand“ (KEA) als Bewertungsindikator des Energieaufwands: Die Durchführung der Bewertung richtet sich nach der VDI-Richtlinie VDI 4600.

• Der „Kumulierte Rohstoffaufwand“ (KRA) als Bewertungsindikator des Rohstoffaufwands, einschließlich Wasser: Die Durchführung der Bewer-tung richtet sich nach der VDI-Richtlinie VDI 4800 Blatt 2.

• Die Treibhausgasemissionen in CO2-Äquivalenten: Die Durchführung der Bewertung richtet sich nach dem IPCC-Bericht 2013.

• Die Flächeninanspruchnahme: Sie richtet sich nach der LANCA®-Methode, bei der Flächennutzung und Flächentransformation berück-sichtigt werden.

• Wasser: Der Begriff „blue water“ („Blauwasser") bezieht sich auf das verwendete Oberflächen- und Grundwasser. Daher ist Regenwasser in dieser Definition ausgeschlossen. In einer GaBi-Software-Ökobilanz kön-


nen die Begriffe „Blauwassernutzung“ und „Blauwasserverbrauch“ wie folgt verstanden werden:

„Blue water use“ („Blauwassernutzung“) = Blauwasserentnahme = Wasser (Flusswasser) + Wasser (Seewasser) + Wasser (Grundwasser) + Wasser (fossiles Grundwasser)

„Blue water consumption“ („Blauwasserverbrauch“) = Blauwas-sernutzung - Blauwasserfreisetzung aus der Technosphäre = Blau-wassernutzung + Wasser (in den Produkteinträgen enthalten) - Was-ser (in den Produktausgaben enthalten) - Wasserdampf - Wasser (Blauwasser, welches in das Meer freigesetzt wird)

Ergänzend wird eine Bewertung der Versorgungskritikalität der in der Sachbilanz erhobenen Rohstoffe und Materialien durchgeführt. Die Bewer-tung erfolgt nach der VDI-Richtlinie VDI 4800 Blatt 2.

5.2.7 Software und Datenbanken

Das LCA-Modell für beide Szenarien wurde mittels der GaBi 7 Software der thinkstep AG erstellt. Die GaBi 2017 Datenbanken31 liefern die Sachbilanz-daten für die Hintergrundsysteme. Details zu den Modellierungsprinzipien und den Qualitätsanforderungen/-angaben bietet die GaBi-Website32.

5.2.8 Ökonomische Bewertung

Folgend wird das allgemeine Vorgehen zur ökonomischen Bewertung der beiden Szenarien „Technologievergleich“ und „Systemvergleich“ beschrie-ben. Dieses umfasst die Auswahl sowie die Berechnung der Kostenpositio-nen, welche für beide Szenarien identisch sind.

5.2.8.1 Auswahl der Kostenpositionen

Die Kostenberechnung bezieht sich ausschließlich auf die Nutzungsphase des Elektromotors bzw. der elektromotorischen Systeme beim Anwender, d. h. einem kleinen oder mittleren Industriebetrieb. Wartungskosten, die

31 Vgl. thinkstep GaBi (2017a). 32 Vgl. thinkstep GaBi (2017b) und thinkstep GaBi (2017c).


während der Nutzungsphase des Elektromotors anfallen, machen in der Regel nur einen geringen Anteil an den Gesamtkosten aus (zwischen 1 % und 3 %)33 und werden daher in dieser Studie nicht näher betrachtet. Auch eine detaillierte Kostenbetrachtung für die Herstellungs- wie auch Entsor-gungsphase ist in dieser Betrachtung nicht enthalten.

Die Festlegung und Quantifizierung der Kostenpositionen und die zugehö-rige Datensammlung erfolgen über Sina Save. Sina Save ist ein von der Firma Siemens bereitgestelltes Online-Tool, welches Energieeinsparpoten-ziale und Amortisationszeiten von Antriebssystemen (Pumpen- und Lüfter-Antriebssysteme) auf Basis ihrer individuellen Einsatzbedingungen ermit-telt.34 Die Investitionskosten sind Hersteller-Websites und die Wirkungs-grade der Norm DIN EN 60034-30-135 entnommen. Dies erlaubt, die Amor-tisationszeiten zu ermitteln und die wichtigsten Kosten zu erfassen, die bei einer ökonomischen Betrachtung berücksichtigt werden sollten:

• einmalig anfallende Investitionskosten für die Anschaffung der zu ver-gleichenden Elektromotoren und

• jährliche Energieverbrauchskosten (betriebsgebundene Kosten).

5.2.8.2 Berechnung der Kostenpositionen Die recherchierten durchschnittlichen Investitionskosten für die Elektro-motoren unterschiedlicher Leistungs- und Energieeffizienzklassen sowie für die Frequenzumrichter basieren auf den Datenblättern der Firma Sie-mens36 (für Elektromotoren), der Firma Fiehn Gebäudeautomation37 (für Frequenzumrichter) und auf Aussagen der Teilnehmer während des Work-shops. Die ermittelten Investitionskosten für die Elektromotoren sowie für die Frequenzumrichter (FU) sind in Tabelle 8 aufgelistet.

33 Vgl. De Almeida et al. (2008), S. 77, ATG:Motor (2015), S. 14 und EMERSON Industrial

Automation (2014), S. 18. 34 Vgl. Siemens AG (2018). 35 Vgl. DIN EN 60034-30-1:2014-12. 36 Vgl. Siemens (2016), gesamter Katalog. 37 Vgl. Fiehn Gebäudeautomation GmbH (2017), S. 1 – 6.


Tabelle 8: Ermittelte Investitionskosten für Elektromotoren ohne/mit Frequenzumrichter

Motorleistung [kW] Effizienzklasse Investitionskosten [€] Elektromotoren des Szenarios „Technologievergleich“

1,1 IE2 580 1,1 IE3 700 1,1 IE4 1.000

Elektromotoren des Szenarios „Systemvergleich“ 18,5 IE3 4.500 18,5 IE4 5.400 18,5 Frequenzumrichter 2.600 18,5 IE3 mit FU 7.100 18,5 IE4 mit FU (= IE5) 8.000

Die Formel für die Berechnung des jährlichen Energieverbrauchs eines Elektromotors für einen bestimmten Betriebspunkt wurde von einem Pum-penhersteller bereitgestellt und lautet wie folgt:

𝐸𝐸 =𝑃𝑃𝜂𝜂

∙ 𝐿𝐿 ∙ 𝑡𝑡𝐵𝐵

• E: jährlicher Energieverbrauch des Elektromotors [Wh/a]

• P: Nennleistung [W]

• η: Wirkungsgrad bei 100 % Last [-]

• L: Last an einem bestimmten Betriebspunkt [-]

• tB: jährliche Betriebszeit an einem bestimmten Betriebspunkt [h/a]

Außerdem wurden die jährlichen Energieverluste (EV) der Elektromotoren mit der folgenden Formel berechnet:

𝑃𝑃𝐸𝐸𝑉𝑉 = ∙ (1 − 𝜂𝜂) ∙ 𝐿𝐿 ∙ 𝑡𝑡

𝜂𝜂 𝐵𝐵


Die zur Berechnung benötigten Wirkungsgrade η der Elektromotoren sind der Almeida-Studie gemäß DIN EN 60034-30-1 entnommen und in Tabelle 9 dargestellt. 38

Tabelle 9: Ermittelte Wirkungsgrade der Elektromotoren ohne/mit Frequenzumrichter

Effizienzklasse Leistung [kW] Wirkungsgrad [%] Szenario „Technologievergleich“

IE2 1,1 81 IE3 1,1 84 IE4 1,1 87

Szenario „Systemvergleich“ IE3 ohne FU 18,5 94,4 IE3 mit FU 18,5 93 IE4 mit FU (= IE5) 18,5 95

Die betriebsgebundenen, jährlich anfallenden Energiekosten KE werden nach folgender Formel berechnet:

𝐾𝐾𝐸𝐸 = 𝑆𝑆 ∙ 𝐸𝐸𝐿𝐿

• KE: jährliche Energiekosten [€/a]

• S: gemittelter europäischer Strompreis: 0,114 € pro kWh im ersten Halb-jahr 2017 für gewerbliche Abnehmer39

• E: jährlicher Energieverbrauch [kWh/a]

Die Amortisationszeit gibt den Zeitraum an, nach dem sich die Anschaf-fung eines höher effizienten Motors durch Energieeinsparungen rentiert. Sie berechnet sich aus dem Verhältnis der einmaligen Anschaffungskosten für den effizienteren Motor zu den jährlichen Energiekosten-Einsparungen. Ist die Amortisationszeit höher als die Lebenszeit tL des Elektromotors, so rentiert sich eine Investition aus ökonomischer Sicht in der Regel nicht.

38 Vgl. De Almeida A. T. (2016), S. 2. 39 Vgl. Eurostat (2017).


𝐴𝐴 =𝐾𝐾𝐼𝐼∆𝐾𝐾𝐸𝐸

• A: Amortisationszeit [a]

• KI: Investitionskosten [€]

• ΔKE: jährliche Energieeinsparung [€/a]

Vergleichende ökologische und ökonomische Bewertung 65

6 VERGLEICHENDE ÖKOLOGISCHE UND ÖKONOMISCHE BEWERTUNG

6.1 Ökologische Bewertung

Im folgenden Kapitel werden die beiden Szenarien „Technologievergleich“ und „Systemvergleich“ (siehe Kapitel 5) bezüglich ihrer ökologischen Aus-wirkungen bewertet. Details zu den ausgewählten Indikatoren sind in Kapi-tel 5.2.6 zu finden. Im Folgenden werden zunächst die Ergebnisse für die Treibhausgasemissionen behandelt, die weiteren Indikatoren sind im An-hang 5 zu finden.

Wie in Kapitel 4.5 näher erläutert, beschränken sich die Berechnungen der Nutzungsphase auf den Verlust der betrachteten Systeme und nicht auf deren Gesamtverbrauch über die definierte Lebenszeit. Da der Verbrauch durch die Leistungsklasse definiert wird (inklusive des Verlustes), diese aber durch die Anforderung fest vorgegeben ist, ergibt sich als einziger variabler Anteil der Verlust.


Treibhausgaspotenzial

Abbildung 5 stellt die Gesamtergebnisse der drei Elektromotoren IE2, IE3 und IE4 mit jeweils 1,1 kW sowie deren Anwendung über den gesamten Lebenszyklus für das Szenario „Technologievergleich“ dar. Der IE2-Asynchronmotor verursacht mit 5.238 kg CO2-eq/FE die höchsten Emissio-nen, gefolgt von dem IE3-Asynchronmotor mit 4.274 kg CO2-eq/FE bzw. dem IE4-Asynchronmotor mit 3.353 kg CO2-eq/FE.

Abbildung 5: Treibhausgaspotenzial für das Szenario „Technologievergleich“

5.238

4.274

3.353

0

1.000

2.000

3.000

4.000

5.000

6.000

IE2 mit 1,1 kW IE3 mit 1,1 kW IE4 mit 1,1 kW

kgCO

2-eq

/FE

Treihausgaspotenzial GWP 100

66 Vergleichende ökologische und ökonomische Bewertung

Die mit steigender Effizienz (IE2 bis IE4) sinkenden Treibhausgasemissio-nen sind hier sehr gut erkennbar. Dieses Ergebnis zeigt sich analog auch bei den anderen untersuchten Wirkungsgrößen kumulierter Energieauf-wand (KEA), kumulierter Rohstoffaufwand (KRA), Flächeninanspruchnah-me sowie Wasserverbrauch (siehe Tabelle 10 und Grafiken im Anhang 5).

Um die Elektromotoren im Detail besser untersuchen zu können, wurden zusätzlich die einzelnen Lebenswegphasen gesondert betrachtet. Abbil-dung 6 stellt diese Ergebnisse für die Phasen Herstellung, Nutzung sowie Entsorgung für alle drei Effizienzklassen dar.

Abbildung 6: Treibhausgaspotenzial nach Lebenswegphasen für das Szenario "Technologievergleich“

Hier zeigt sich deutlich, dass die Nutzung die dominierende Phase des Lebenswegs ergibt und bei allen drei untersuchten Elektromotoren für ungefähr 99 % der Treibhausgasemissionen verantwortlich ist. Der Grund liegt zum einen in den durch den Stromverbrauch verursachten Emissio-nen und wird zum anderen dadurch verstärkt, dass die untersuchten Elekt-romotoren in diesem Szenario mit 1,1 kW ein geringes Gewicht aufweisen. Dies begründet die geringen Aufwendungen bzw. Emissionen in der Her-stellungsphase. Die Aufwendungen der Entsorgungsphase sind bei allen Elektromotoren vernachlässigbar gering. Die angesprochene Sensitivitäts-analyse von Reparatur und Wartung erfolgt hier qualitativ. Es zeigt sich, dass ein „Worst-case“-Szenario, d. h. wenn die volle Herstellung ein- oder

44 54 43

5.189

4.214

3.305

5 6 50

1.000

2.000

3.000

4.000

5.000

6.000

IE2 mit1,1 kW

IE3 mit1,1 kW

IE4 mit1,1 kW

IE2 mit1,1 kW

IE3 mit1,1 kW

IE4 mit1,1 kW

IE2 mit1,1 kW

IE3 mit1,1 kW

IE4 mit1,1 kW

Herstellung Nutzung Entsorgung

kgCO

2-eq

/FE



mehrmalig anfällt, keine Veränderung der Grundaussage nach sich ziehen würde, da die Beiträge aus der Herstellungsphase zu gering sind.

Die Ergebnisse für die weiteren Indikatoren bestätigen die Erkenntnisse mit geringeren Werten für die jeweils effizienteren Elektromotoren und sind in Tabelle 10 abgebildet. Auch die Verteilung der Emissionen über die einzelnen Lebensweghasen ist bei den weiteren Indikatoren identisch.

Tabelle 10: Übersicht der Ergebnisse zu den Indikatoren des Szenarios „Technologievergleich“

Indikatoren Ergebnisse je Lebenszyklusphase Klasse Herstellung Nutzung Entsorgung

Kumulierter Energie-aufwand (KEA) [MJeq/FE]

KEA, regenerativ

IE2, 1,1 kW 114 30.812 13

IE3, 1,1 kW 143 25.020 16

IE4, 1,1 kW 102 19.628 14

KEA, erschöpflich

IE2, 1,1 kW 568 90.377 59

IE3, 1,1 kW 697 73.389 73

IE4, 1,1 kW 541 57.573 61

Kumulierter Rohstoff-aufwand (KRA) [kg/FE]

Metalle, Mineralien

IE2, 1,1 kW 621 22.328 14

IE3, 1,1 kW 685 18.131 17

IE4, 1,1 kW 573 14.223 15

Energieroh-stoffe

IE2, 1,1 kW 17 2.489 2

IE3, 1,1 kW 21 2.021 2

IE4, 1,1 kW 16 1.586 2

Flächenin-anspruch-nahme [m2·a/FE]

Siedlungs-flächen

IE2, 1,1 kW 0,07 0,33 0

IE3, 1,1 kW 0,09 0,27 0

IE4, 1,1 kW 0,07 0,21 0

Landwirt-schaftsflächen

IE2, 1,1 kW 3,69 529,8 0,27

IE3, 1,1 kW 4,62 430,2 0,34

IE4, 1,1 kW 3,35 337,5 0,31

Treibhausgaspotenzial GWP100 [kg CO2-eq/FE]

IE2, 1,1 kW 44 5.189 5

IE3, 1,1 kW 54 4.214 6

IE4, 1,1 kW 43 3.305 5

Wasserverbrauch [kg/FE]

IE2, 1,1 kW 326 43.938 21

IE3, 1,1 kW 397 35.679 25

IE4, 1,1 kW 304 27.990 21

Der kumulierte Energieaufwand (KEA) ist für den IE2-Asynchronmotor insgesamt am höchsten und für den IE4-Reluktanzmotor am geringsten. Der KEA ist gekennzeichnet durch den Energieaufwand während der Nut-zungsphase, welcher mehr als 95 % des Gesamtverbrauchs ausmacht. Die Differenzierung in regenerative sowie erschöpfliche Energiequellen und


deren Verteilung sind im gewählten europäischen Strommix begründet, in welchem der Anteil erschöpflicher Quellen entsprechend höher liegt.

Auch der kumulierte Rohstoffaufwand (KRA) in Kilogramm pro funktionel-ler Einheit wird von der Nutzungsphase dominiert und zeigt beim IE4-Asynchronmotor die niedrigsten Gesamtergebnisse. Bei der Unterteilung des KRA überwiegen die Massenanteile der Gruppe „Metalle, Mineralien“, welche auch Abraum und totes Gestein enthalten, die sowohl bei Erzkör-pern als auch bei Energierohstoffen wie Kohle im Bergbau anfallen.

Die Flächeninanspruchnahme bestätigt das bereits oben gezeichnete Bild mit der kleinsten beanspruchten Fläche für den IE4-Reluktanzmotor. Der Anteil der Nutzungsphase beträgt dabei mehr als 98 %. Bei der Detailbe-trachtung der beiden Unterkategorien Siedlungs- und Landwirtschaftsflä-che gründet insbesondere der hohe Flächenbedarf der Landwirtschaftsflä-che während der Nutzungsphase auf dem Biomasseanteil im gewählten Strommix (Kapitel 6.1.1.1).

Bei der Betrachtung des Wasserverbrauchs in den Gesamtergebnissen aller Elektromotoren ist dieser auch hier während der Nutzungsphase am höchs-ten. Dazu trägt maßgeblich die Energiebereitstellung bei, z. B. für benötig-tes Kühlwasser.

Die entsprechenden Diagramme zu den Ergebnissen der Indikatoren (KEA, KRA, Flächeninanspruchnahme und Wasserverbrauch) sind im Anhang 5 zu finden. Die Abbildungen ähneln sich in der grafischen Darstellung der CO2-Emissionen. Daher wird auf deren Abbildung hier verzichtet.

6.1.1.1 Landnutzungswirkungen/LANCA®

Um die zunehmende Versiegelung von Flächen sowie deren land- und forstwirtschaftliche, infrastrukturelle und industrielle Nutzung beurteilen zu können, ist es nötig, etablierte Methoden wie die Lebenswegbewertung um Aspekte der Flächeninanspruchnahme zu erweitern. Zu diesem Zweck wurde an der Universität Stuttgart die Methode LANCA® (Land Use Indica-tor Value Calculation in Life Cycle Assessment) entwickelt (Details siehe Anhang 6).


Abbildung 7 zeigt die Landnutzungswirkungen nach LANCA® des Szena-rios „Technologievergleich“ für den IE2-, IE3- und IE4-Asynchronmotor für die Phase der Okkupation (Flächenbelegung) für die fünf Umweltwir-kungskategorien Erosionswiderstand, mechanische Filtration, physikoche-mische Filtration, Grundwasserneubildung und biotische Produktion. Die Darstellung weist die Umweltwirkungen den Phasen Herstellung, Nutzung und Recycling zu. Die Umweltlasten des IE2-Asynchronmotors stellen dabei 100 % der Lasten dar, die anderen beiden Asynchronmotoren (IE3 und IE4) beziehen sich in ihren Wirkungen in jeder Wirkungskategorie auf den IE2-Asnchronmotor. Bei allen drei Elektromotoren sind die Umwelt-wirkungen in den fünf Umweltwirkungskategorien fast ausschließlich der Nutzungsphase zuzuschreiben und hier wiederum der Strombereitstellung. Der IE2-Asynchronmotor weist in allen Wirkungskategorien die höchsten Lasten auf, gefolgt von dem IE3-Asynchronmotor und dem IE4-Asynchronmotor. Zur Stromproduktion wird Kohle abgebaut und Biomasse genutzt. Die dazu erforderliche Flächennutzung und die einhergehenden Beeinträchtigungen der Ökosystemleistungen begründen somit die domi-nierenden Lasten der Strombereitstellung an den Gesamtumweltwirkun-gen.

0,7% 0,9% 0,7% 0,6% 0,7% 0,5% 0,4% 0,5% 0,4% 1,0% 1,2% 0,9% 0,7% 0,9% 0,7%

99%

81%

63%

99%

80%

63%

100%

80%

64%

99%

81%

63%

99%

81%

63%

0,03%

0,04%

0,03%

0,03%

0,04%

0,03%

0,03%

0,04%

0,03%

0,03%

0,04%

0,03%

0,03%

0,04%

0,03%

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

IE2 mit1,1 kW

IE3 mit1,1 kW

IE4 mit1,1 kW

IE2 mit1,1 kW

IE3 mit1,1 kW

IE4 mit1,1 kW

IE2 mit1,1 kW

IE3 mit1,1 kW

IE4 mit1,1 kW

IE2 mit1,1 kW

IE3 mit1,1 kW

IE4 mit1,1 kW

IE2 mit1,1 kW

IE3 mit1,1 kW

IE4 mit1,1 kW

BiotischeProduktion [kg]

Erosions-widerstand [kg]

Grundwasser-neubildung [m³]

MechanischeFiltration [m³]

PhysikochemischeFiltration [mol*a]

Herstellung Nutzung Recycling

Abbildung 7: Landnutzungswirkungen Okkupation, Szenario „Technologievergleich“



Im Szenario „Systemvergleich“ werden vier unterschiedliche Anwendungs-fälle untersucht (Kapitel 5.2.1.2). Stellvertretend für die Indikatoren wer-den nachfolgend die Ergebnisse des Treibhausgaspotenzials behandelt. Die Ergebnisse der übrigen Indikatoren sind in Tabelle 11 bis Tabelle 14 gelis-tet bzw. im Anhang 5 und 6 grafisch dargestellt.

6.1.2.1 Anwendungsfall 1: Betriebszeit 2.000 h, geringe Last-zeiten, variable Betriebspunkte

Im Anwendungsfall 1 wird eine insgesamt niedrige Betriebszeit von 2.000 h mit geringen Lastzeiten und variablen Betriebspunkten, wie sie beispielsweise bei Schmutzwassersystemen zum Einsatz kommen, betrach-tet (Tabelle 4). Abbildung 8 zeigt die CO2-Emissionen für den gesamten Lebensweg. Der IE3-Asynchronmotor mit Frequenzumrichter verursacht mit insgesamt 3.129 kg CO2-eq/FE etwas höhere Emissionen als der IE4-Reluktanzmotor mit 2.843 kg CO2-eq/FE.

Abbildung 8: Treibhausgaspotenzial für das Szenario „Systemvergleich“, Anwendungsfall 1

3.129 2.843

0

1.000

2.000

3.000

4.000

IE3 mit 18,5 kW IE4 mit 18,5 kW

kgCO2-

eq/FE



Abbildung 9 zeigt das Treibhausgaspotenzial aufgeteilt auf die Lebensweg-phasen Herstellung, Nutzung und Entsorgung.

Abbildung 9: Treibhausgaspotenzial nach Lebenswegphasen für das Szenario „Systemvergleich“, Anwendungsfall 1

In der Herstellungsphase ergeben sich für den IE4-Reluktanzmotor mit 1.481 kg CO2-eq/FE etwa 20 % höhere Emissionen im Vergleich zum IE3-Asynchronmotor. Da beide betrachteten Elektromotoren eine ähnliche Masse und Materialverteilung aufweisen, lassen sich diese Unterschiede auf den Magneten zurückführen, der im IE4-Reluktanzmotor verbaut ist. Dieser ist trotz seiner geringen Masse von ca. 3,8 kg für 24 % des Treib-hausgaspotenzials während der Herstellung verantwortlich.

Die Nutzungsphase ist mit 1.807 kg CO2-eq/FE für den IE3-Asynchronmotor und 1.264 kg CO2-eq/FE für den IE4-Reluktanzmotor weit weniger dominant als noch im Szenario „Technologievergleich“. Dies be-gründet sich durch die weitaus höheren Aufwendungen während der Her-stellungsphase und eine um 3.000 h/a geringere Betriebszeit. Die Aufwen-dungen während der Entsorgung können mit 110 bzw. 99 kg CO2-eq/FE vernachlässigt werden.

Insgesamt lässt sich bei dem hier betrachten Anwendungsfall 1 aufzeigen, wie wichtig die geplanten Betriebsparameter eines Motor(-systems) für die Umweltleistungen sind. Durch die geringe Betriebszeit spielt zum einen die Nutzungsphase eine weniger starke Rolle bei der Gesamtbetrachtung. Zum anderen leistet die Herstellungsphase durch die höhere Leistung der Elekt-romotoren und einhergehend der höheren Masse einen stärkeren Beitrag.

1.2121.481

1.807

1.264

110 99

0

200

400

600

800

1.000

1.200

1.400

1.600

1.800

2.000

IE3 mit18,5 kW

IE4 mit18,5 kW

IE3 mit18,5 kW

IE4 mit18,5 kW

IE3 mit18,5 kW

IE4 mit18,5 kW


kgCO2-

eq/FE



Die Ergebnisse der weiteren Indikatoren sind in Tabelle 11 gelistet. Abge-sehen vom Wasserverbrauch sind die Ergebnisse und deren Verteilung über die einzelnen Lebenswegphasen vergleichbar mit denen des Treib-hausgaspotenzials.

Bei dem kumulierten Energieaufwand (KEA) ist die Nutzungsphase bei beiden Systemen die dominierende Lebenswegphase. Während der Herstel-lungsphase ist bei beiden Systemen die Produktion des Frequenzumrich-ters mit einem hohen Aufwand verbunden. Dieser Sachverhalt wird im Anwendungsfall 4 nochmals aufgegriffen und dargestellt (Kapitel 6.1.2.4). Hinzu kommt beim IE4-Reluktanzmotor der zusätzlich benötigte Magnet.

Der kumulierte Rohstoffaufwand (KRA) wird durch die Herstellungsphase dominiert. Insbesondere der Frequenzumrichter sowie der Kupferanteil in den Elektromotoren sind in dieser Phase für den hohen KRA verantwort-lich.

Bei dem Wasserverbrauch dominiert die Herstellung des IE4-Reluktanzmotors, da der enthaltene Magnet trotz seiner geringen Masse im Gesamtsystem einen großen Anteil am Wasserverbrauch hat. Die entspre-chenden Diagramme sind im Anhang 5 und 6 zu finden.


Tabelle 11: Übersicht der Ergebnisse zu den Indikatoren des Szenarios „Systemvergleich“, Anwendungsfall 1



KEA, regene-rativ

IE3, 18,5 kW 2.139 10.731 352

IE4, 18,5 kW 4.154 7.503 335

KEA, er-schöpflich

IE3, 18,5 kW 15.060 31.475 1.328

IE4, 18,5 kW 17.690 22.009 1.235


Metalle, Mineralien

IE3, 18,5 kW 12.692 7.776 377

IE4, 18,5 kW 13.979 5.437 358

Energieroh-stoffe

IE3, 18,5 kW 490 867 46

IE4, 18,5 kW 589 606 43


Siedlungsflä-chen

IE3, 18,5 kW 1,3 0,12 0,07

IE4, 18,5 kW 23,2 0,08 0,06


IE3, 18,5 kW 60,0 184,5 7,9

IE4, 18,5 kW 62,8 129,0 7,5


IE3, 18,5 kW 1.212 1.807 110

IE4, 18,5 kW 1.481 1.264 99

Wasserverbrauch [kg/FE] IE3, 18,5 kW 6.395 15.302 466

IE4, 18,5 kW 30.182 10.700 430

6.1.2.2 Anwendungsfall 2: Betriebszeit 7.500 h, hohe Last-zeiten, variable Betriebspunkte

Im Anwendungsfall 2 wird ein System betrachtet, welches durch hohe Betriebszeiten von 7.500 h, hohe Lasten und variable Betriebspunkte ge-kennzeichnet ist. Eine typische Anwendung ist eine trocken aufgestellte Kreiselpumpe in einer Chemieanlage.

Abbildung 10 zeigt ebenfalls, wie bereits in den vorher behandelten An-wendungsfällen, die Ergebnisse des Treibhausgaspotenzials über den ge-samten Lebensweg.



Bedingt durch die höheren Betriebszeiten und Lasten fallen die Gesamter-gebnisse im Vergleich zum Anwendungsfall 1 entsprechend höher aus. Durch die gleichen Rahmenbedingungen für die Herstellungs- und Entsor-gungsphase in den Anwendungsfällen 1 – 3 ist dieses Mehr an Emissionen nur durch die Nutzungsphase bedingt.

Abbildung 11 zeigt anschaulich die hohen Beiträge der Nutzungsphase zum Treibhausgaspotenzial von ca. 97 % für den IE3-Asynchronmotor mit Frequenzumrichter bzw. 94 % für den IE4-Reluktanzmotor. Die Nutzungs-phase besteht ausschließlich aus dem Energieeinsatz und spiegelt entspre-chend den gewählten landesspezifischen Strommix und dessen Emissionen wider.


36.216

25.979

0

5.000

10.000

15.000

20.000

25.000

30.000

35.000

40.000


kgCO2-

eq/FE


1.212 1.481

34.894

24.400

110 990

5.000

10.000

15.000

20.000

25.000

30.000

35.000

40.000

IE3 mit18,5 kW

IE4 mit18,5 kW

IE3 mit18,5 kW

IE4 mit18,5 kW

IE3 mit18,5 kW

IE4 mit18,5 kW


kgCO2-

eq/FE



Tabelle 12 listet die Ergebnisse für alle untersuchten Indikatoren. Die ent-sprechenden Diagramme sind im Anhang 5 und 6 zu finden.

Sowohl der KEA als auch der KRA sind klar von der Nutzungsphase domi-niert. Die bereits in Kapitel 6.1.1 und Kapitel 6.1.2.1 durchgeführte Analy-se der einzelnen Indikatoren und deren Treiber trifft auch hier unter Be-rücksichtigung des gewählten Anwendungsfalls und der damit einherge-henden höheren Umweltwirkungen während der Nutzungsphase zu.




KEA, regene-rativ

IE3, 18,5 kW 2.139 207.204 352

IE4, 18,5 kW 4.154 144.887 335

KEA, er-schöpflich

IE3, 18,5 kW 15.060 607.768 1.328

IE4, 18,5 kW 17.690 424.981 1.235


Metalle, Mineralien

IE3, 18,5 kW 12.692 150.148 377

IE4, 18,5 kW 13.979 104.991 358

Energieroh-stoffe

IE3, 18,5 kW 490 16.740 46

IE4, 18,5 kW 589 11.705 43


Siedlungsflä-chen

IE3, 18,5 kW 1,3 2,2 0,07

IE4, 18,5 kW 23,2 1,6 0,06


IE3, 18,5 kW 60,0 3.562,8 7,9

IE4, 18,5 kW 62,8 2.491,3 7,5


IE3, 18,5 kW 1.212 34.894 110

IE4, 18,5 kW 1.481 24.400 99


IE4, 18,5 kW 30.182 206.610 430

6.1.2.3 Anwendungsfall 3: Betriebszeit 7.500 h, hohe Last-zeiten, einzelner Betriebspunkt

Anwendungsfall 3 stellt ein „Negativszenario“ als Sensitivitätsanalyse dar, um den Systemgedanken noch detaillierter zu präsentieren. Dazu werden die Betriebspunkte und Last-Zeit-Profile hin zu einem fixen Betriebs-/ Lastzeitpunkt geändert. Die Parameter des Anwendungsfalls 3 ähneln dabei mit der hohen Betriebszeit bei relativ hoher Last und einem einzel-nen Betriebspunkt den Annahmen des Szenarios „Technologievergleich“. Im Vergleich zum Anwendungsfall 2 entstehen durch den fixen Betriebs-


punkt bei gleicher Betriebszeit von 7.500 h/a insgesamt noch höhere CO2-Emissionen (Abbildung 12).


Die Nutzungsphase ist weiterhin die dominierende Lebenswegphase. Die höhere Energieeffizienz des IE4-Reluktanzmotors resultiert dabei in rund 3.000 kg CO2-eq/FE weniger Emissionen pro Jahr im Vergleich zum IE3-Asynchronmotor mit Frequenzumrichter (Abbildung 13).


Tabelle 13 listet die Ergebnisse für alle untersuchten Indikatoren. Die ent-sprechenden Diagramme sind im Anhang 5 und 6 zu finden.

Im Vergleich zum Anwendungsfall 2 unterscheiden sich der KEA, der KRA, die Flächeninanspruchnahme sowie der Wasserverbrauch nur in der Nut-

40.992

29.319

0

5.000

10.000

15.000

20.000

25.000

30.000

35.000

40.000

45.000


kgCO2-

eq/FE


1.212 1.481

39.671

27.740

110 990

5.000

10.000

15.000

20.000

25.000

30.000

35.000

40.000

45.000

IE3 mit18,5 kW

IE4 mit18,5 kW

IE3 mit18,5 kW

IE4 mit18,5 kW

IE3 mit18,5 kW

IE4 mit18,5 kW


kgCO

2-eq

/FE



zungsphase durch höhere Ergebnisse aufgrund des fixen Betriebspunkts vom Anwendungsfall 3. Die bereits durchgeführten Analysen in Kapi-tel 6.1.1. und 6.1.2.2 behalten entsprechend ihre Gültigkeit.




KEA, regene-rativ

IE3, 18,5 kW 2.139 235.566 352

IE4, 18,5 kW 4.154 164.719 335

KEA, er-schöpflich

IE3, 18,5 kW 15.060 690.960 1.328

IE4, 18,5 kW 17.690 483.152 1.235


Metalle, Mineralien

IE3, 18,5 kW 12.692 170.701 377

IE4, 18,5 kW 13.979 119.362 358

Energieroh-stoffe

IE3, 18,5 kW 490 19.031 46

IE4, 18,5 kW 589 13.307 43


Siedlungsflä-chen

IE3, 18,5 kW 1,3 2,5 0,07

IE4, 18,5 kW 23,2 1,8 0,06


IE3, 18,5 kW 60,0 4.050,5 7,9

IE4, 18,5 kW 62,8 2.832,3 7,5

Treibhausgaspotenzial GWP100 [kg CO2eq/FE]

IE3, 18,5 kW 1.212 39.671 110

IE4, 18,5 kW 1.481 27.740 99


IE4, 18,5 kW 30.182 234.891 430

6.1.2.4 Anwendungsfall 4: Betriebszeit 7.500 h, hohe Last-zeiten, einzelner Betriebspunkt

Anwendungsfall 4 geht bei Betriebszeit, Last und Betriebspunkten zu-nächst von den Rahmenbedingungen des Anwendungsfalls 3 aus. Dabei werden zwei IE3-Asynchronmotoren jeweils mit und ohne Frequenzum-richter (FU) verglichen. Abbildung 14 zeigt die Ergebnisse des Treibhaus-gaspotenzials über den gesamten Lebensweg der beiden Elektromotoren.



Wie aus Abbildung 15 ersichtlich wird, dominiert wiederum die Nutzungs-phase das Treibhausgaspotenzial. Die Emissionen des IE3-Asynchron-motors ohne Frequenzumrichter verringern sich während der Nutzungs-phase um 22 % gegenüber dem Betrieb mit Frequenzumrichter. Dies liegt darin begründet, dass der Frequenzumrichter bei einem fixen Betriebs-punkt ohne Nutzen ist (statischer Lastpunkt) und somit lediglich einen zusätzlichen verlustrelevanten Verbraucher im System darstellt. Zusätzlich verringern sich die Umweltwirkungen während der Herstellung ohne Fre-quenzumrichter um ca. 38 %.


40.99232.103

0

5.000

10.000

15.000

20.000

25.000

30.000

35.000

40.000

45.000

IE3 mit 18,5 kW mit FU IE3 mit 18,5 kW ohne FU

kgCO2-

eq/FE


1.212 745

39.671

31.266

110 920

5.000

10.000

15.000

20.000

25.000

30.000

35.000

40.000

45.000

IE3 mit18,5 kWmit FU

IE3 mit18,5 kWohne FU






kgCO2-

eq/FE



Tabelle 14 zeigt die Ergebnisse für alle untersuchten Indikatoren in der Übersicht. Die entsprechenden Diagramme sind im Anhang 5 und 6 zu finden.

Insgesamt wird der Anwendungsfall 4 bei allen untersuchten Indikatoren von der Nutzungsphase dominiert. Bei der Detailbetrachtung des KEA und des KRA lässt sich der bereits im Anwendungsfall 1 (Kapitel 6.1.2.1) be-schriebene hohe Beitrag des Frequenzumrichters zu den Ergebnissen in der Herstellungsphase sehr gut erkennen. Der Anwendungsfall 4 zeigt, dass durchgehend geringere ökologische Wirkungen für die Herstellung des IE3-Asynchronmotors ohne Frequenzumrichter resultieren.


Indikatoren Ergebnisse je Lebenszyklusphase

Klasse Herstellung Nutzung Entsorgung


KEA, regenerativ

IE3, 18,5 kW mit FU 2.139 235.566 352

IE3, 18,5 kW ohne FU 1.182 185.658 336

KEA, erschöpflich

IE3, 18,5 kW mit FU 15.060 690.960 1.328

IE3, 18,5 kW ohne FU 8.632 544.570 1.174


Metalle, Mineralien

IE3, 18,5 kW mit FU 12.692 170.701 377

IE3, 18,5 kW ohne FU 8.245 134.535 360

Energieroh-stoffe

IE3, 18,5 kW mit FU 490 19.031 46

IE3, 18,5 kW ohne FU 307 14.999 42


Siedlungs-flächen

IE3, 18,5 kW mit FU 1,3 2,5 0,07

IE3, 18,5 kW ohne FU 0,95 2,0 0,07 Landwirt-schafts-flächen

IE3, 18,5 kW mit FU 60,0 4.050,5 7,9

IE3, 18,5 kW ohne FU 33,5 3.192,3 7,6


IE3, 18,5 kW mit FU 1.212 39.671 110

IE3, 18,5 kW ohne FU 745 31.266 92

Wasserverbrauch [kg/FE] IE3, 18,5 kW mit FU 6.394 335.919 466

IE3, 18,5 kW ohne FU 3.064 264.750 385

6.1.2.5 Landnutzungswirkungen/LANCA®

Vergleichbar zum Vorgehen in Kapitel 6.1.1.1 zeigt Abbildung 16 die Landnutzungswirkungen des Anwendungsfalls 1 des Szenarios „System-vergleich“ für den IE3-Asynchronmotor mit Frequenzumrichter und den IE4-Reluktanzmotor. Es wird die Okkupation (Flächenbelegung) für die fünf Umweltwirkungskategorien Erosionswiderstand, mechanische Filtration, physikochemische Filtration, Grundwasserneubildung und biotische Pro-


duktion dargestellt. Anhang 6 beinhaltet die Ergebnisse für die Okkupation und die Transformation für alle weiteren Anwendungsfälle des Szenarios „Systemvergleich“. Die Darstellung zeigt die Umweltwirkungen der Phasen Herstellung, Nutzung und Recycling. Die Umweltlasten des IE3-Asynchronmotors stellen dabei 100 % der Lasten dar, worauf sich die Er-gebnisse für den IE4-Reluktanzmotor je Wirkungskategorie beziehen.

24,9%

48,4%30,4%

61,7%

26,1%37,2%

27,6%

142,4%

25,6%

55,4%

73,6%

51,5%68,2%

47,7%

72,4% 50,6% 70,9%

49,6%

72,9%

51,0%

1,5% 1,4% 1,4%1,3%

1,5%

1,4%1,5%

1,4%

1,5%1,4%

0%

20%

40%

60%

80%

100%

120%

140%

160%

180%

200%

IE3 mit18,5 kW

IE4 mit18,5 kW

IE3 mit18,5 kW

IE4 mit18,5 kW

IE3 mit18,5 kW

IE4 mit18,5 kW

IE3 mit18,5 kW

IE4 mit18,5 kW

IE3 mit18,5 kW

IE4 mit18,5 kW







Abbildung 16: Landnutzungswirkungen Okkupation für das Szenario „Systemvergleich“, Anwendungsfall 1

Im Anwendungsfall 1 ist der Anteil der Landnutzungswirkungen der Her-stellungsphase nahezu gleich hoch wie der in der Nutzungsphase. Gleich-zeitig folgen die Ergebnisse einem ähnlichen Trend wie dem nach Lebens-wegphasen aufgeteilten Treibhausgaspotenzial des Anwendungsfalls 1 (Abbildung 9). Es zeigt sich jedoch über alle Kategorien hinweg eine deut-lich höhere Landnutzungswirkung der Herstellung des IE4-Reluktanz-motors gegenüber der des IE3-Asynchronmotors. Dies beruht hauptsächlich auf dem Abbau der Rohstoffe für den im IE4-Reluktanzmotor verbauten Permanentmagneten. Die höhere Energieeffizienz des IE4-Reluktanzmotors in der Nutzungsphase kompensiert und überkompensiert jedoch die im Vergleich zum IE3-Asynchronmotor höheren Gesamtbeiträge in der Her-stellungsphase je Kategorie, sodass beide Motorsysteme nahezu gleiche


Landnutzungswirkungen aufweisen. Eine Ausnahme stellt die mechanische Filtration dar. Hier dominiert signifikant der Beitrag der Herstellung für den IE4-Reluktanzmotor. Dies ist auf den in China stattfindenden Ressour-cenabbau von Neodym und Dysprosium zurückzuführen.

6.1.3 Sensitivitätsanalyse: C02-armer Strommix

Im Rahmen der Klima- und Energiepolitik bis 2030 verfolgt die Europäi-sche Kommission drei Hauptziele:

• Senkung der Treibhausgasemissionen um mindestens 40 % (gegenüber dem Stand von 1990),

• Anhebung des Anteils erneuerbarer Energiequellen auf mindestens 27 % und

• Steigerung der Energieeffizienz um mindestens 27 %.40

Durch diese politischen Rahmenbedingungen erhöht sich zunehmend die Bedeutung von Energieeinsparungen und Energieeffizienzmaßnahmen.

Wie schon in der Einleitung erwähnt, sind Elektromotoren und elektromo-torische Systeme für einen bedeutenden Anteil des weltweiten Energiever-brauchs verantwortlich. Falls keine weiteren Energieeinsparmaßnahmen getroffen werden, könnte sich der weltweite Stromverbrauch bis 2030 verdoppeln.

Um diese Verhältnisse zu verdeutlichen, wurde im Rahmen dieser Studie eine Sensitivitätsanalyse mit der prognostizierten durchschnittlichen Stromzusammensetzung für Europa durchgeführt. Diese Prognosen sind verfügbar für die Jahre 2020, 2030, 2040 sowie 2050 und beruhen auf einer Veröffentlichung der Europäischen Kommission, welche Trends be-züglich Energie, Transport und Treibhausgasemissionen bis 2050 behan-

40 Vgl. Europäische Kommission (2018).


delt.41 Tabelle 15 stellt die Szenarien und das Treibhausgaspotenzial ge-genüber.

Tabelle 15: Zukünftige Treibhausgaspotenziale in kg CO2-eq/kWh

Indikator EU-28 Strommix–Basis 2013

EU-28 Strommix-Szenario

2020


2030


2040

EU-28 Strommix- Szenario

2050 Treibhaus-gaspotenzial pro 1 kWh [kg CO2-eq]

0,45 0,37 0,28 0,23 0,22

Den Annahmen der oben genannten Studie folgend, werden sich die Treib-hausgasemissionen des europäischen Strommix in den Jahren bis 2050 voraussichtlich halbieren.

Werden diese Ergebnisse auf die hier behandelten Szenarien und Anwen-dungsfälle übertragen, zeigt sich, dass sich zukünftig die Treibhausgaspo-tenziale während der Nutzungsphase der elektromotorischen Systeme ebenfalls halbieren könnten. Je nach Anwendungsfall (siehe insbesondere Anwendungsfall 1 des Szenarios „Systemvergleich“) würde diese Entwick-lung die Bedeutung der Umweltwirkungen während der Herstellungsphase der Systeme deutlich erhöhen. Dies würde entsprechend die Einzelkompo-nenten und deren Umweltwirkungen in den Fokus möglicher Optimierun-gen rücken.

6.1.4 Sensitivitätsanalyse: Transport

Wie in Kapitel 5.2.3 dargelegt, sind die Aufwendungen während des Transports der Elektromotoren und elektromotorischen Systeme zur Nut-zungsphase vernachlässigbar und daher nicht Bestandteil der durchgeführ-ten Bewertung. Um diese Annahme im Detail zu untersuchen, werden im Folgenden die Transporte einer Sensitivitätsanalyse unterzogen.

Dafür wird angenommen, dass die Elektromotoren und elektromotorischen Systeme mit einem handelsüblichen Lastkraftwagen (LKW) über eine Dis-

41 Vgl. European Commission (2016).


tanz von 1.000 km transportiert werden. Es handelt sich dabei um einen dieselbetriebenen EURO 6 LKW mit einer Masse von 34 bis 40 t. Um die gesamte Bandbreite abzudecken, wurde angenommen, dass einmal ein Elektromotor des Szenarios „Technologievergleich“ sowie ein Elektromotor des Szenarios „Systemvergleich“ transportiert werden. Tabelle 16 zeigt die Ergebnisse dieser Analyse für das Treibhausgaspotenzial.

Tabelle 16: Treibhausgaspotenzial in kg CO2-eq für den Transport eines Elektromotors über 1000 km

Wirkungs-kategorie

Motor 1, 1,1 kW („Technologievergleich“)

Motor 2, 18,5 kW („Systemvergleich“)

Treibhausgaspotenzial [kg CO2-eq] 0,50 11,67

Werden die Ergebnisse getrennt nach den Szenarien betrachtet, ergibt sich für das Szenario „Technologievergleich“ ein Wert von 0,50 kg CO2-eq, wel-cher bereits im Vergleich zu den Aufwendungen in der Herstellungsphase (43 bis 54 kg CO2-eq) vernachlässigbar gering ausfällt. Diese Erkenntnis verstärkt sich entsprechend bei der Betrachtung des gesamten Lebens-wegs.

Bei dem Szenario „Systemvergleich“ zeigt sich mit 11,67 kg CO2-eq ein ähnliches Bild. Der Transport fällt mit etwa 1 % der Aufwendungen in der Herstellungsphase kaum ins Gewicht. Insbesondere bei der Betrachtung des gesamten Lebenswegs ist dieser Beitrag vernachlässigbar.

6.1.5 Sensitivitätsanalyse: Reparatur, Wartung und Instand-haltung

Da die Aspekte Reparatur, Wartung und Instandhaltung sehr stark vom Hersteller und Anwender sowie vom individuellen Anwendungsfall (Ort, Umgebung, thermische und sonstige Beanspruchung, Einbau etc.) abhän-gen, wird im Folgenden die Wartung einer Sensitivitätsanalyse unterzogen.

Unter der Annahme eines „Worst-case“-Szenarios wird angenommen, dass der Motor während der Lebenszeit einmal komplett ersetzt werden muss. Es fallen also entsprechend alle Umweltwirkungen der Herstellungsphase erneut an.


Im Falle des Szenarios „Technologievergleich“ und der dort getroffenen Annahmen sind diese zusätzlichen Aufwendungen klar vernachlässigbar, da die Herstellung der Elektromotoren nur ca. 1 % des gesamten Treib-hausgaspotenzials ausmacht.

Zu demselben Ergebnis kommt die Betrachtung der Anwendungsfälle 2, 3 und 4 des Szenarios „Systemvergleich“, da auch hier die ökologischen Wirkungen in der Nutzungsphase dominieren.

Bei dem Anwendungsfall 1 des Szenarios „Systemvergleich“ und den eher geringen Lasten und Laufzeiten bzw. dem höheren Anteil der ökologischen Wirkungen in der Herstellungsphase ist ein kompletter Ersatz des Elekt-romotors relevanter. Eine Verdopplung der Treibhausgaspotenziale in der Herstellungsphase des IE3-Asynchronmotors und des IE4-Reluktanzmotors würde dazu führen, dass die ökologischen Wirkungen der Herstellungs-phase die jeweiligen ökologischen Wirkungen der Nutzungsphase deutlich überlagern. Würden in diesem Fall die über den Lebensweg ausgestoßenen CO2-Emissionen beider Elektromotoren verglichen werden, würden beide elektromotorischen Systeme annähernd gleiche Treibhausgaspotenziale verursachen.

Für den Anwendungsfall 1 kann bezüglich der Sensitivitätsanalyse der Reparatur, Wartung und Instandhaltung ein ähnliches Fazit wie in Kapi-tel 6.1.3 gezogen werden: Wird im vorliegenden Anwendungsfall ein kom-pletter Ersatz der elektromotorischen Systeme innerhalb der betrachteten Lebenszeit notwendig, können die Einzelkomponenten der elektromotori-schen Systeme in den Fokus möglicher Optimierungen rücken.

6.2 Bewertung der Versorgungskritikalität

Um die Versorgungskritikalität der Rohstoffe, welche in den Elektromoto-ren und Frequenzumrichtern verbaut sind, zu bewerten, wird eine Analyse entsprechend der VDI 4800 Blatt 2 durchgeführt. Diese zielt darauf ab, „[…] Rohstoffe eines rohstoffnutzenden Systems […] zu identifizieren, die für dieses essentielle Funktionen erfüllen, deren Versorgung jedoch risikobe-


haftet ist“42. Die Kritikalitätsanalyse ermöglicht es, die Vulnerabilität eines Bezugssystems (z. B. eines Unternehmens) gegenüber Versorgungsstörun-gen bestimmter Rohstoffe zu bewerten. Die Analyse berücksichtigt dabei geologische, ökonomische, soziale, politische und technische Aspekte. Dabei wird zwischen exogenen und endogenen Kriterien unterschieden:

• Exogene Kriterien sind angebots- und nachfrageseitige Aspekte, welche nicht von dem rohstoffnutzenden System (z. B. Unternehmen) beein-flusst werden können (Kritikalitätsdimension „Versorgungsrisiko“).

• Endogene Kriterien beinhalten organisationsspezifische Kriterien, wel-che das Unternehmen direkt beeinflussen kann43.

Da das Ziel der vorliegenden Studie keine unternehmensspezifische Analy-se der Rohstoffkritikalität beinhaltet, werden im Folgenden ausschließlich die exogenen Kriterien der Rohstoffkritikalität (Kritikalitätsdimension „Versorgungsrisiko“) untersucht.

Die Bewertung der Kritikalität eines bestimmten Rohstoffs wird über nor-mierte Indikatoren angegeben, welche in die Klassen 0; 0,3; 0,7 und 1 eingeteilt sind. Dabei entspricht der Indikatorwert 0 einer geringen Kritika-lität und der Indikatorwert 1 einer hohen Kritikalität eines betrachteten Rohstoffs für ein bestimmtes Kriterium. Die in der VDI 4800 Blatt 2 be-schriebenen exogenen Kriterien werden im Folgenden kurz erläutert:44

(4) Geologische, technische und strukturelle Kriterien

(a) Statische Reichweite: Sie beschreibt das Verhältnis von globalen Reserven zur Jahresproduktion des Rohstoffs. Der Indikator ist ein Maß für die Notwendigkeit, das Angebot durch Neuexploration oder Sekundärrohstoffe zu erweitern.

42 VDI 4800 Blatt 2:2018-03, S. 14. 43 Vgl. VDI 4800 Blatt 2:2018-03. S. 15 und 16. 44 Vgl. VDI 4800 Blatt 2:2018-03. S. 17 ff.


(b) Neben-/Koppelproduktion: Wird ein Rohstoff als Neben- oder Kop-pelprodukt gewonnen, so ist dessen Verfügbarkeit abhängig von dem Angebot bzw. der Nachfrage des Hauptprodukts. Der Indikator gibt an, zu welchen Anteilen ein Rohstoff als Haupt- oder Neben-/ Koppelprodukt gewonnen wird.

(c) Recycling: Die Versorgung mit Sekundärrohstoffen schont Ressour-cen und hat damit eine positive Auswirkung auf die Versorgungssi-tuation. Der Indikator ist ein Maß für den Verbreitungsgrad funkti-onaler End-of-Life-Recyclingtechnologien für den betrachten Roh-stoff.

(d) Logistische Beschränkungen: sind oft wesentlich bei der Preisge-staltung und damit ein Risiko für die Versorgung (z. B. Trans-portentfernungen und Möglichkeiten der Lagerung). Der Indikator gibt die Wirtschaftlichkeit von Lagerung und Transport an.

(e) Beschränkungen durch Naturereignisse: Die Verfügbarkeit von Rohstoffen kann durch Naturereignisse beeinträchtigt werden. Da für die Quantifizierung der Anfälligkeit des Rohstoffs auf Naturer-eignisse noch keine adäquate Datenbank existiert, wird für bioti-sche Rohstoffe je nach Anbaugebiet ein Standardwert festgesetzt. Bei mineralischen und fossilen Rohstoffen ist die Anfälligkeit ge-ring, der Standardwert beträgt für diese Rohstoffgruppen 0. Der In-dikator ist ein Maß für den Verbreitungsgrad natürlicher Vorkom-men und Anbaugebiete.

(5) Geopolitische und regulatorische Kriterien

(a) Länderkonzentration der Reserven: Mit zunehmender Verteilung der Reserven auf mehrere Länder wird das Risiko zur Ausnutzung einer Marktmacht verringert. Als Indikator für das absolute Kon-zentrationsmaß einer Reserve wird der Herfindahl-Hirschman-Index (HHI) eingesetzt. Dieser ist definiert als die Summe der quadrierten Anteilswerte der Reserven aller Marktteilnehmer. Bei der Berech-nung müssen mindestens 80 % der globalen Reserven berücksich-tigt werden.


(b) Länderkonzentration der Produktion: Eine Konzentration der Roh-stoffproduktion auf wenige Länder erhöht das Risiko einer handels-politisch motivierten Restriktion von gehandelten Rohstoffmengen und kann sich damit negativ auf die Rohstoffverfügbarkeit auswir-ken. Als Indikator wird hier ebenfalls der Herfindahl-Hirschman-Index (HHI) herangezogen, der sich aus der Summe der quadrierten Anteilswerte der Produktionsmengen aller Marktteilnehmer bildet. Auch hier müssen 80 % der globalen Produktion berücksichtigt werden.

(c) Geopolitische Risiken der Weltproduktion: Der Zugang zu Rohstof-fen wird von der politischen Stabilität der Exportländer und Abbau-regionen beeinflusst. Der Indikator „politisches Länderrisiko“ (PLI) wird über die zwei Weltbank-Indikatoren „Mitspracherecht und Verantwortung“ sowie „Politische Stabilität und Abwesenheit von Gewalt“ berechnet.

(d) Regulatorische Situation für Rohstoffprojekte: Auch in stabilen Län-dern wird die Rohstoffverfügbarkeit von staatlichen wirtschafts-, steuer- und umweltpolitischen Rahmenbedingungen beeinflusst. Zur Berechnung des regulatorischen Länderrisikos (RLI) werden die hierfür relevanten vier Weltbankindikatoren „Schutz des Eigen-tums“, „Handels-, Wettbewerbs- und Umweltpolitik“, „Korruptions-kontrolle“ sowie „Bürokratieaufwand und öffentliche Daseinsfürsor-ge“ berücksichtigt.

(6) Ökonomische Kriterien

(a) Unternehmenskonzentration der globalen Produktion: Unterneh-men können das Rohstoffangebot und damit auch die Rohstoffpreise beeinflussen. Damit gibt die Unternehmenskonzentration einen Hinweis auf ein Versorgungsrisiko. Als Indikator dient der Her-findahl-Hirschman-Index.

(b) Globaler Nachfrageimpuls: Globales Bevölkerungswachstum und wirtschaftliche Entwicklung führen für viele Rohstoffe zu einer ge-steigerten Nachfrage. Diese erfordert eine Ausweitung des Rohstoff-angebots und geht häufig mit Preissteigerungen einher. Der Indika-


tor ist der „Grad der Nachfragesteigerung“. Das Risiko wächst, je stärker die Nachfrage steigt und je sprunghafter diese ist.

(c) Substituierbarkeit: Kann ein Rohstoff durch einen anderen substitu-iert werden, verringert dies das Versorgungsrisiko. Die Substituier-barkeit wird graduell bewertet und reicht von einer vollständigen Substituierbarkeit (Index 0) bis zur technisch und/oder wirtschaft-lich nicht vertretbaren Substitution (Index 1).

(d) Rohstoffpreisschwankungen: Diese können mithilfe des Indikators der Volatilität ausgedrückt werden, welcher das Risiko einer star-ken Preisschwankung innerhalb kurzer Zeit angibt. Der Indikator „Annualisierte Preisvolatilität“ wird auf Basis der Daten eines aktu-ellen Jahres berechnet.

Für die Bewertung der Rohstoffkritikalität der Elektromotoren und der Frequenzumrichter müssen zuerst die relevanten Rohstoffe ermittelt wer-den, welche in der Analyse ausgewertet werden sollen. Es wurden alle Rohstoffe ermittelt, welche einen Anteil von mehr als 5 % an der Gesamt-masse des Elektromotors bzw. Frequenzumrichters und/oder eine hohe Umweltwirkung besitzen (z. B. Edelmetalle, für mehr Details siehe An-hang 4). Tabelle 17 zeigt die ausgewählten Rohstoffe für Elektromotoren sowie für Frequenzumrichter.


Tabelle 17: Relevante Rohstoffe in Elektromotoren und Frequenzumrichtern

Rohstoff Bauteil Massenanteil [%]

Asynchronmotor

Aluminium Gehäuse 18 Eisen & Silizium Elektroblech 50 Eisen Stahl 10 Kupfer Kabel 11

Reluktanzmotor

Bor Permanentmagnet - Dysprosium Permanentmagnet - Eisen Gehäuse 40

Stahl 54 Permanentmagnet -

Kupfer Kabel 6 Neodym Permanentmagnet -

Frequenzumrichter

Aluminium Kühlkörper 48 Leiterplatte 1,5

Blei Leiterplatte 8 ·10-4 Chrom Leiterplatte 5 ·10-5 Cobalt Leiterplatte 5 ·10-4 Eisen Leiterplatte 0,1 Erdöl Plastikgehäuse 13 Gold Leiterplatte 3 ·10-3 Kupfer Kabel 32

Leiterplatte 2,4 Nickel Leiterplatte 0,1 Palladium Leiterplatte 2 ·10-3 Platin Leiterplatte 1 ·10-4 Silber Leiterplatte 3 ·10-2 Tantal Leiterplatte 6 ·10-2 Titan Leiterplatte 4 ·10-5 Zink Leiterplatte 0,2 Zinn Leiterplatte 0,3

Bei dem Asynchronmotor sind die relevanten Rohstoffe mit einem Massen-anteil von mehr als 5 % Aluminium, Eisen, Kupfer und Silizium, welche für das Gehäuse, das Elektroblech, Stahlwerkstoffe und Kabel benötigt werden. Zusammen machen sie einen Anteil von ungefähr 90 % des Gesamtge-wichts des Elektromotors aus.

Für den Reluktanzmotor müssen zusätzlich die Rohstoffe, welche im Per-manentmagneten verbaut sind, berücksichtigt werden. Das sind Dysprosi-um und Neodym. Die Massenanteile dieser Rohstoffe sind nicht verfügbar, allerdings besitzen sie hohe Umweltwirkungen und werden daher in der Kritikalitätsanalyse untersucht.

Bei dem Frequenzumrichter machen der Aluminium-Kühlkörper, die Kup-ferkabel und das Polymergehäuse ungefähr 93 % der Gesamtmasse aus.


Die Elektronik (bestückte Leiterplatte) beträgt zwar nur einen geringen Anteil am Gesamtgewicht des Frequenzumrichters, enthält jedoch eine Reihe wertvoller Metalle, welche eine hohe Umweltwirkung aufweisen. Diese werden daher in die Bewertung der Rohstoffkritikalität einbezogen. Die ermittelten Ergebnisse für die Kritikalitätsindikatoren bezogen auf die ausgewählten Rohstoffe sind in Tabelle 18 gelistet.


Tabelle 18: Bewertung der Kritikalitätsdimension „Versorgungsrisiko“ für Rohstoffe in Elektromotoren und Frequenzumrichtern

Indikator Al Cr Co Dy Fe Cu Nd Ni Pd Ag Si Ta Ti Zn Sn G

eolo

gisc

he, t

echn

isch

e un

d st

rukt

urel

le

Indi

kato

ren

Verhältnis von Reserven zu globaler Jahres-produktion

0 1 0,3 0 0,3 0,7 0 0,7 0 1 0 0,3 0 1 1

Grad der Koppel-/ Nebenproduktion 0 0 0,7 0,7 0 0,3 0,7 0,3 0,7 0,7 0 0,3 0 0,3 0

Verbreitungsgrad funktionaler End-of-Life-Technologien

0,3 0,3 0,7 0,7 0,3 0,3 0,7 0,3 0,7 0,3 0,7 0,7 0,3 0,7 0,7

Wirtschaftlichkeit von Lagerung und Transport

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

Verbreitungsgrad natürlicher Vor-kommen/ Anbaugebiete

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

Geo

polit

isch

e un

d re

gula

tori

sche

K

rite

rien

Herfindahl-Hirschman-Index der Reserven

0,7 1 0,7 1 0,3 0,3 1 0,7 1 0,3 0,3 0,7 0,7 0,3 0,7

Herfindahl-Hirschman-Index der Länderproduk-tion

1 1 1 1 1 0,7 1 0,3 1 0,3 1 0,7 1 1 1

Politisches Länderrisiko 0,7 0,7 0,7 0,7 0,7 0,3 0,7 0,3 0,7 0,7 0,7 0,7 0,7 0,7 0,7

Regulatorisches Länderrisiko 0,3 0,3 0,7 0,7 0,3 0,3 0,7 0,3 0,7 0,3 0,7 0,7 0,7 0,3 0,7

Öko

nom

isch

e K

rite

rien

Herfindahl-Hirschman-Index der Unternehmen

0,3 0,7 0,3 1 0,3 0,3 1 0,3 0,7 0,3 0,3 0,7 0,3 0,3 0,3

Grad der Nachfra-gesteigerung 0 0,3 0,3 0,7 0 0,3 0,7 0,3 0,3 0,3 0 0,3 0 0 0,3

Technische Machbarkeit und Wirtschaftlichkeit von Substitutionen in Hauptanwen-dungen

0,7 1 1 0,7 0,7 0,7 0,7 1 0,7 0,7 0,7 0,3 0,3 1 0,7

Annualisierte Preisvolatilität 0,7 0,7 1 1 0,7 1 0,3 1 1 1 0,7 1 1 1 1

Aggregation durch degressive Addition

0,77 0,93 0,90 0,94 0,73 0,73 0,91 0,79 0,91 0,82 0,78 0,78 0,83 0,92 0,91


Wie aus Tabelle 18 ersichtlich wird, bewegen sich die über eine degressive Addition ermittelten Kritikalitätsindikatoren der Rohstoffe im kritischeren Wertebereich zwischen 0,7 und 0,9.

Für die geopolitischen und regulatorischen Kriterien ist eine erhöhte Kriti-kalität für die Rohstoffe abzuleiten. Die Kritikalitätsindikatoren werden hier vermehrt mit den Werten 0,7 und 1 bewertet. Vor allem für das Kriterium „Länderkonzentration der Produktion“ besitzen die meisten Rohstoffe einen Indikatorwert von 1. Diese Rohstoffe sind auf wenige Länder konzentriert und zeigen ein erhöhtes Risiko einer handelspolitisch motivierten Restrik-tion. Das ist vor allem bei den im Permanentmagnet enthaltenen Seltenen Erden der Fall, da diese aufgrund fehlender Vorkommen in Europa impor-tiert werden müssen. Auch das politische Länderrisiko befindet sich für die meisten Rohstoffe im erhöhten Wertebereich, da der Zugang zu diesen Rohstoffen stark von der politischen Stabilität des Exportlandes abhängt.

Für die ökonomischen Kriterien liegt vor allem eine erhöhte Kritikalität für die Kriterien „Substituierbarkeit in Hauptanwendungen“ und „Rohstoff-preisschwankungen“ vor. Viele der Rohstoffe in Hauptanwendungen kön-nen nur unter hohen Kosten und/oder Funktionalitätsverlust oder gar nicht substituiert werden. Unternehmen sind somit stark von der Verfügbarkeit der Rohstoffe abhängig. Zudem sind viele Rohstoffe großen Preisschwan-kungen unterworfen, was eine hohe Versorgungsunsicherheit der entspre-chenden Rohstoffe auf den Rohstoffmärkten bedeutet.

Vor allem für die geologischen, technischen und strukturellen Kriterien befinden sich die Kritikalitätsindikatoren meist im niedrigen und mittleren Bereich. Gerade für die beiden Kriterien „Logistische Beschränkungen“ sowie „Beschränkungen durch Naturereignisse“ sind die Kritikalitätsindi-katoren minimal, d. h., alle Rohstoffe können gelagert und transportiert werden und ihre Anfälligkeit gegenüber Naturereignissen ist gering.

6.3 Ökonomische Bewertung


In Tabelle 19 sind die Ergebnisse für die Energieverbräuche, -verluste, -kosten und die Amortisationszeit für das Szenario „Technologievergleich“


enthalten. Diese wurden basierend auf den Formeln aus Kapitel 5.2.8 be-rechnet.

Tabelle 19: Berechnung der Energiekosten für das Szenario „Technologievergleich“

Parameter Szenario „Technologievergleich“ IE2 IE3 IE4

Nennleistung P [kW] 1,1 1,1 1,1 Wirkungsgrad η [-] 0,81 0,84 0,87 Last L [-] 0,75/0 0,75/0 0,75/0 Betriebszeit tB [h/a] 4.000/1.000 4.000/1.000 4.000/1.000 Lebenszeit tL [a] 15 15 15

Energieberechnung Energieverbrauch E [MWh/a] 4,07 3,93 3,79 Energieverlust EV [MWh/a] 0,77 0,63 0,49

Kostenrechnung Energiekosten KE [€/a] 464 448 432 Amortisationszeit A [a] - 42 65

Die Berechnungen für das Szenario „Technologievergleich“ ergeben jährli-che Energiekosten von 464 € für den IE2-Asynchronmotor, 448 € für den IE3-Asynchronmotor und 432 € für den IE4-Asynchronmotor.

Die Differenz zwischen den Kosten der Energieverbräuche fällt somit sehr gering aus. Dies begründet sich zum einen durch die nahe beieinanderlie-genden Wirkungsgrade der Elektromotoren, wodurch die Verbräuche ähn-lich hoch ausfallen. Zum anderen sind die Energieverbräuche aufgrund der geringen Leistung der Elektromotoren generell insgesamt sehr niedrig. Folglich können nur geringe Kosteneinsparungen mit effizienteren Elekt-romotoren erreicht werden.

Die Amortisationszeiten belaufen sich daher für den IE3-Asynchronmotor auf 42 Jahre und für den IE4-Asynchronmotor auf 65 Jahre. Da die Lebens-zeit der Elektromotoren nur 15 Jahre beträgt, würde sich hier eine Investi-tion in einen effizienteren Motor aus ökonomischer Sicht vor Ablauf der Abschreibungszeit oder technischen Nutzungsdauer nicht rentieren.45

45 Hierbei sind steigende Energiepreise nicht miteinkalkuliert.



In den nachfolgenden Tabelle 20 bis Tabelle 23 sind die Ergebnisse für die Energieverbräuche, -verluste und -kosten sowie die Amortisationszeit für die vier Anwendungsfälle des Szenarios „Systemvergleich“ enthalten. Die-se wurden basierend auf den Formeln aus Kapitel 5.2.8 berechnet.

Tabelle 20: Berechnung der Energiekosten für das Szenario „Systemvergleich“ – Anwendungsfall 1

Parameter Anwendungsfall 1 IE3 mit FU IE4 mit FU

Nennleistung P [kW] 18,5 18,5 Wirkungsgrad η [-] 0,93 0,95 Last L [-] 0,85/0,42/0 0,8 /0,42/0 Betriebszeit tB [h/a] 40/380/1.580 40/380/1.580 Lebenszeit tL [a] 15 15

Energieberechnung Energieverbrauch [MWh/a] 3,85 3,77 Energieverlust EV [MWh/a] 0,27 0,19

Kostenrechnung Energiekosten KE [€/a] 439 430 Amortisationszeit A [a] - 866

Die jährlichen Energiekosten für den IE3-Asynchronmotor mit Frequenz-umrichter belaufen sich auf 439 € und für den IE4-Reluktanzmotor mit Frequenzumrichter auf 430 €. Die Energiekosteneinsparung beträgt 9 € im Jahr.

Damit befinden sich die Kosten für den Anwendungsfall 1 für das Szenario „Systemvergleich“ auf einem ähnlichen Niveau wie für das Szenario „Technologievergleich“, obwohl die Leistung der Elektromotoren deutlich höher ist. Das begründet sich durch das Betriebsprofil: Die Elektromotoren des Anwendungsfalls 1 laufen nur 2.000 Stunden im Jahr, wobei sie aber 80 % der Zeit bei einer Last von 0 % betrieben werden und damit den größ-ten Teil der Zeit keine Energie verbrauchen. Zusätzlich liegen auch die Wirkungsgrade relativ nahe beieinander. Somit fallen die Energiekosten sehr gering aus.

Da eine Neuanschaffung eines effizienteren Elektromotors in einer so ho-hen Leistungsklasse deutlich teurer ist (ca. 8.000 €), belaufen sich die Amortisationszeiten der Elektromotoren auf 866 Jahre für den IE4-Reluktanzmotor mit Frequenzumrichter. Eine Investition vor Ablauf der


Abschreibungszeit oder technischen Nutzungsdauer lohnt sich bei einer Lebenszeit von 15 Jahren aus ökonomischer Sicht somit nicht.



Nennleistung P [kW] 18,5 18,5 Wirkungsgrad η [-] 0,93 0,95 Last L [-] 0,85/0,77/0 0,85/0,77/0 Betriebszeit tB [h/a] 937/6.248/315 937/6.248/315 Lebenszeit tL [a] 10 10

Energieberechnung Energieverbrauch E [MWh/a] 111,55 109,20 Energieverlust EV [MWh/a] 7,81 5,46

Kostenrechnung Energiekosten KE [€/a] 12.716,25 12.448,54 Amortisationszeit A [a] - 30

Die jährlichen Energiekosten für den IE3-Asynchronmotor mit Frequenz-umrichter belaufen sich auf 12.716,25 € und für den IE4-Reluktanzmotor mit Frequenzumrichter auf 12.448,54 €. Somit können pro Jahr 268 € ein-gespart werden.

Die Energiekosten sind deutlich höher als im Anwendungsfall 1. Dies liegt zum einen an der erheblich längeren Betriebszeit von 7.500 Stunden im Jahr. Zum anderen läuft der Motor hier 95 % der Zeit bei höherer Auslas-tung (85 % und 77 %), sodass deutlich mehr Energie benötigt wird.

Durch die höhere Energieeinsparung des IE4-Reluktanzmotors wird die Amortisationszeit auf 30 Jahre verkürzt. Bei einer Lebenszeit von 15 Jahren stellt dies jedoch aus ökonomischer Sicht keine rentable Investition vor Ablauf der Abschreibungszeit oder technischen Nutzungsdauer dar.




Nennleistung P [kW] 18,5 18,5 Wirkungsgrad η [-] 0,93 0,95 Last L [-] 0,85/0 0,85/0 Betriebszeit tB [h/a] 7.500/0 7.500/0 Lebenszeit tL [a] 10 10


Kostenrechnung Energiekosten KE [€/a] 14.456,85 14.152,50 Amortisationszeit A [a] - 26

Die Energiekosten belaufen sich auf 14.456,85 € für den IE3-Asynchronmotor mit Frequenzumrichter und 14.152,50 € für den IE4-Reluktanzmotor mit Frequenzumrichter. Dies bedeutet eine jährliche Ein-sparung von 304 € pro Jahr.

Da die Elektromotoren im Dauerbetrieb (7.500 Stunden) bei 85 % Last ar-beiten, fallen die Energieverbräuche höher aus als in Anwendungsfall 2. Die Energiekosteneinsparung fällt damit auch höher aus, womit sich die Amortisationszeit auf 26 Jahre verkürzt. Allerdings rentiert sich eine Neu-investition bei einer Motorlebenszeit von 15 Jahren vor Ablauf der Ab-schreibungszeit oder technischen Nutzungsdauer aus ökonomischer Sicht nicht.


Parameter Anwendungsfall 4 IE3 mit FU IE3 ohne FU

Nennleistung P [kW] 18,5 18,5 Wirkungsgrad η [-] 0,93 0,944 Last L [-] 0,85/0 0,85/0 Betriebszeit tB [h/a] 7.500/0 7.500/0 Lebenszeit tL [a] 10 10


Kostenrechnung Energiekosten KE [€/a] 14.456,85 14.242,45 Amortisationszeit A [a] - (-37)


Die Energiekosten belaufen sich auf 14.456,85 € für den IE3-Asynchron-motor mit Frequenzumrichter und 14.242,45 € für den IE3-Asynchron-motor ohne Frequenzumrichter. Dies bedeutet, dass der Einsatz eines Fre-quenzumrichters in diesem Szenario zu keiner Kosteneinsparung führt, sondern im Gegenteil zu einer Erhöhung der Ausgaben für die Energiekos-ten um ca. 215 €/a. Bei einer statischen Dauerlast übt ein Frequenzumrich-ter keine positiven Auswirkungen auf die Effizienz des Systems aus, son-dern erhöht den Energieverbrauch sogar, da er einen zusätzlichen Ver-braucher im System darstellt. Es entstehen somit höhere Anschaffungskos-ten für den Frequenzumrichter sowie höhere Energiekosten beim Betrieb eines Motors mit einem Frequenzumrichter in statischer Dauerlast. Dies wird durch die Amortisationszeit bestätigt, welche für den IE3-Asynchronmotor mit Frequenzumrichter im negativen Bereich liegt.

6.3.3 Fazit der ökonomischen Bewertung

Die Ergebnisse der ökonomischen Auswertung zeigen, dass der frühzeitige Austausch eines Motors der untersuchten Leistungsklassen vor Ablauf der Abschreibungszeit oder technischen Nutzungsdauer mit einem energieeffi-zienteren Motor nicht argumentativ zu untermauern ist. Diese Erkenntnis erstreckt sich über die meisten Szenarien, da die ökonomische Amortisati-onszeit der effizienteren Elektromotoren in den meisten Fällen über der angenommenen Lebenszeit der Elektromotoren liegt. In der industriellen Praxis sind jedoch noch viele alte Elektromotoren ohne Effizienzklasse im Einsatz. Ein Austausch dieser mit effizienten Elektromotoren kann in Amortisationszeiten unterhalb der Lebensdauer der alten Elektromotoren resultieren.46

Anwendungsfall 4 hat dagegen gezeigt, wie wichtig es ist, bei der Auswahl eines Elektromotors die Gesamtanforderungen des Systems zu berücksich-tigen. So ergab ein Vergleich zwischen zwei IE3-Asynchronmotoren jeweils mit und ohne Frequenzumrichter im statischen Dauerlastpunkt eine Erhö-hung der Energieverbrauchskosten ohne zusätzlichen Nutzen durch den Einsatz des Frequenzumrichters.

46 Vgl. Volz (2010), S. 8.

98 Zusammenfassung, Erkenntnisse und Empfehlungen

7 ZUSAMMENFASSUNG, ERKENNTNISSE UND EMPFEHLUNGEN

Werden abschließend die Ergebnisse der ökologischen Bewertung betrach-tet, lässt sich beim Szenario „Technologievergleich“ feststellen, dass die Wahl eines effizienteren Motors immer mit geringeren Umweltwirkungen einhergeht. Dies trifft auf alle untersuchten Umweltwirkungen zu. Der Lebenszyklus wird in allen drei Fällen von den ökologischen Wirkungen in der Nutzungsphase dominiert. Durch die vergleichbaren Rohmaterialien, welche in den IE2-, IE3- und IE4-Aynchronmotoren dieser Leistungsklasse verbaut sind, werden die Herstellungsaufwendungen ausschließlich von der Masse des jeweiligen Motors beeinflusst. Im Normalfall wird hier davon ausgegangen, dass ein effizienterer Motor mehr Masse besitzt.

Bei dem Szenario „Systemvergleich“ mit insgesamt stärkeren Elektromoto-ren, diversen Anwendungsfällen und den vielfältigeren Rohmaterialien und Komponenten sind die Erkenntnisse dagegen breiter gefächert und je nach untersuchtem Indikator unterschiedlich aufgestellt.

Bereits beim Anwendungsfall 1 lässt sich gut beobachten, wie wichtig die geplante Anwendung für die Kaufentscheidung eines elektrischen Motor-systems ist. Mit der Annahme eher geringerer Laufzeiten, gepaart mit den hohen Aufwendungen während der Herstellung der 18,5-kW-Elektromotoren, empfiehlt sich aus Sicht der Umweltwirkungen das effizi-entere System. Jedoch sind die Unterschiede insgesamt sehr gering und können je nach Anwendungsfall auch für das ineffizientere System spre-chen. Eine wichtige Rolle spielt hier die nähere Betrachtung der Einzel-komponenten und vereinzelter Umweltwirkungen. So ist der Permanent-magnet im IE4-Reluktanzmotor trotz seines geringen Anteils an der Ge-samtmasse für den Großteil des Wasserverbrauchs während der Herstel-lung verantwortlich. Unter dem Gesichtspunkt, dass die gewählten Syste-me mit 18,5 kW noch eher kleinere Elektromotoren am Markt darstellen, ist erkennbar, wie wichtig die Einzelkomponenten für eine differenzierte Betrachtung der Umweltwirkungen sind.

Anwendungsfall 2 und 3 sind besonders durch erhöhte Lasten und Be-triebszeiten gekennzeichnet und entsprechend entscheidet die Nutzungs-

Zusammenfassung, Erkenntnisse und Empfehlungen 99

phase über die Gesamtwirkungen des Systems (z. B. mit 97 % bzw. 94 % des Treibhausgaspotenzials im Anwendungsfall 2).

Anwendungsfall 4 wiederum greift die beiden oben einzeln genannten Feststellungen auf. Zum einen sind die geplante Anwendung und zum anderen die Einzelbetrachtung der Komponenten wichtig. In diesem Fall wird das System des Asynchronmotors jeweils mit und ohne Frequenzum-richter betrieben. Durch den Verzicht auf den Frequenzumrichter verrin-gern sich die Umweltwirkungen während der Herstellung beim Treibhaus-gaspotenzial alleine um ca. 40 %. Zusätzlich führt dies im gewählten An-wendungsfall bei der Nutzungsphase zu 22 % reduzierten Treibhaus-gasemissionen.

Bei den ökonomischen Ergebnissen der untersuchten Motorleistungsklas-sen lässt sich feststellen, dass sich beim Szenario „Technologievergleich“ unter normalen Lebenszeitbedingungen keine Amortisation einstellen wird. Dies liegt zum einen an den geringen Anschaffungskosten der betrachteten klein-dimensionierten Elektromotoren und zum anderen an den nicht es-sentiellen Unterschieden bei den Energieverbräuchen.

Bei dem Anwendungsfall 1 des Szenarios „Systemvergleich“ resultiert zunächst eine sehr lange Amortisationszeit des effizienteren Systems. Dies ist begründet durch die geringe Laufzeit der Systeme und die hohen An-schaffungskosten. In den weiteren Anwendungsfällen verkürzt sich die Amortisationszeit jedoch drastisch und ist bereits bei Anwendungsfall 2 um ca. die Hälfte geringer als beim Szenario „Technologievergleich“.

Insgesamt lässt sich hier insofern der Trend erkennen, dass sich die Amor-tisationszeiten mit zunehmender Leistung der Elektromotoren bzw. Syste-me verkürzen. Auer et al. bestätigen dies bei leistungsstarken Elektromoto-ren mit mehr als 110 kW, welche sich trotz erhöhter Investitionskosten schon in ungefähr fünf Jahren amortisieren.47

47 Vgl. Auer et. al. (2017), S. 8.

100 Zusammenfassung, Erkenntnisse und Empfehlungen

Zusammenfassend können aus den untersuchten Systemen folgende Schlussfolgerungen abgeleitet werden, die den gängigen Erwartungen entsprechen:

• Energieeffiziente Elektromotoren rufen deutlich geringere Umweltwir-kungen hervor, und zwar umso mehr, je intensiver (zeitlich wie leis-tungsklassenseitig) und gleichmäßiger die Nutzungsphase ist (ein dau-erhafter Arbeitspunkt).

• Im statischen Dauerlastpunkt stellt der Einsatz eines Frequenzumrich-ters keinen Mehrwert für die Energieeffizienz dar, sondern führt als zu-sätzlicher Verbraucher im System zu einer Erhöhung der Energiever-brauchskosten sowie der Umweltauswirkungen.

• Energieeffiziente Elektromotoren sind innerhalb komplexerer Motorsys-teme als ein Element zu betrachten, um Verluste und Verbräuche zu senken.

• Elektromotorische Systeme verfügen neben der Effizienzklasse des Motors über weitere Möglichkeiten, Verluste und Verbräuche zu senken, z. B. über eine intelligente Steuerung/Regelung, durch variable Lastpro-file oder durch eine optimale Auslegung des Motors bzw. des Motorsys-tems.

• Die Landnutzung erzeugt teilweise gegenüber den übrigen in der Studie gewählten Indikatoren abweichende Ergebnisse, vor allem in Hinsicht auf individuelle Ergebnisse (je nach Materialart) gegenüber einzelnen Energiearten des gewählten Strommix.

• Je höher die Verbräuche sind, desto eher tritt eine ökonomische Amorti-sation energieeffizienter Systeme ein.

• Die Kritikalität befindet sich eher im mittleren Bereich und weist selbst in Bezug auf die Seltenen Erden respektive Edelmetalle keine nennens-wert signifikante Kritikalität auf, mit Ausnahme der ökonomischen Kri-tikalität bezüglich Substitutionsproblematik und Preisvolatilität.

Literaturverzeichnis 101

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106 Anhang 1: Literaturrecherche

ANHANG 1: LITERATURRECHERCHE

Normen

Folgende Normen beschäftigen sich direkt oder indirekt mit dem Thema Ökobilanzierung, Ressourceneffizienzbewertung sowie dem Ökodesign und der Energieeffizienz von Elektromotoren. Die Inhalte der betreffenden Normen sind zum einfacheren Verständnis jeweils kurz umrissen:

• DIN EN ISO 14040:2009 -- Umweltmanagement -- Ökobilanz – Grund-sätze und Rahmenbedingungen: bietet einen klaren Überblick über die Theorie und Praxis sowie Anwendung und Grenzen der Ökobilanzie-rung.

• DIN EN ISO 14044:2006 -- Umweltmanagement -- Ökobilanz -- Anforde-rungen und Anleitungen: legt Anforderungen und Richtlinien für eine Ökobilanz fest und beinhaltet Details und Rahmenbedingungen zu Ziel-definition, Sachbilanz, Wirkungsabschätzung und Interpretation der Er-gebnisse. Sie stellt auch die Grundlage für Ökobilanzberichte dar.

• Die beiden Normen DIN EN ISO 14040 und DIN EN ISO 14044 be-schreiben zusammen das methodisch korrekte Vorgehen zur Erzeugung von Umweltindikatoren für Produkte, Systeme und Dienstleistungen und bilden somit die Basis für alle produktbezogenen Umweltindikato-ren. Die beiden Normen beziehen sich auf sämtliche Lebenszykluspha-sen des Produkts.

• DIN EN 50598 -- Ökodesign für Antriebssysteme, Motorstarter, Leis-tungselektronik und deren angetriebene Einrichtungen: legt Ökodesign-anforderungen für elektrische Antriebssysteme für Anwendungen im Leistungsbereich von 0,12 kW bis 1.000 kW fest. Die Norm besteht aus drei Teilen:

DIN EN 50598-1 -- Allgemeine Anforderungen für die Erstellung von Normen zur Energieeffizienz von Ausrüstungen mit Elektroantrieb nach dem erweiterten Produktansatz und den semi-analytischen Mo-dellen: bildet die Basis für das Systemverständnis Motor und be-

Anhang 1: Literaturrecherche 107

schreibt die Herangehensweise zum Thema Energieeffizienz im Sys-tem.

DIN EN 50598-2 -- Indikatoren für die Energieeffizienz von Antriebs-systemen und Motorstartern: legt die Effizienzklassen von Motorsys-temen und „Drive Controllern“ in acht applikationsrelevanten Be-triebspunkten fest und beschreibt Methoden zur Messung und Be-rechnung von Verlusten. Außerdem beschreibt sie die Bestimmung der Effizienzklassen, nach der eine vergleichbare Einordnung erfol-gen kann.

DIN EN 50598-3 -- Quantitativer Ökodesign-Ansatz mittels Ökobilanz einschließlich Produktkategorieregeln und des Inhaltes von Umwelt-deklarationen: legt die Vorgehensweise einer Ökobilanz für eine Um-weltdeklaration von Antrieben fest. Dieser Ansatz ermöglicht es, mit-tels Ökobilanz nicht nur die Energieeffizienz zu betrachten, sondern vor allem alle Umweltwirkungen während des Produktlebenszyklus zu quantifizieren.

• VDI 4600 -- Kumulierter Energieaufwand: beschreibt das Vorgehen sowie die Berechnungsmethoden zur Ermittlung des Kumulierten Ener-gieaufwands (KEA) anhand von Beispielen.

• VDI 4800 -- Ressourceneffizienz:

Blatt 1 -- Methodische Grundlagen, Prinzipien und Strategien: bietet eine abgestimmte Methodik zur Bewertung von Ressourceneffizienz: definiert und erläutert wesentliche Begriffe, Rahmenbedingungen und methodische Grundlagen und setzt sich mit möglichen Zielkon-flikten auseinander.

Blatt 2 -- Bewertung des Rohstoffaufwands: stellt eine operationali-sierbare Methodik zur Verfügung, um den gesamten mit einem Un-ternehmen verbundenen Rohstoff-, Wasser- und Flächenaufwand so-wie deren relative Knappheit quantifizieren, bewerten und verglei-chen zu können.


Blatt 3 – [In Erstellung] Indikatoren zur Bewertung von Umweltkate-gorien: bietet eine Entscheidungsgrundlage für Ressourceneffizienz-maßnahmen im Unternehmen. Sie beschreibt, wie Umweltwirkungen umfassend abzuschätzen sind, und bietet eine Methodik an, Umwelt-wirkungen zu quantifizieren und die Ergebnisse zu interpretieren.

• IEC 60034 -- Drehende elektrische Maschinen: Teil 30 des internationa-len Standards definiert weltweit vereinheitlichte Energieeffizienzklas-sen, wodurch ein internationaler Vergleich ermöglicht werden soll. Die Norm legt die Effizienzklassen IE1 bis IE4 für ein- beziehungsweise dreiphasige Netzmotoren im Leistungsbereich von 0,1 kW bis 1.000 kW bei 50 Hz und 60 Hz fest.

• IEC 62430:2009 -- Environmentally conscious design for electrical and electronic products (Umweltbewusstes Gestalten (ECD) von elektrischen und elektronischen Produkten): beschreibt ein allgemeines Verfahren, um Umweltaspekte in Gestaltungs- und Entwicklungsprozesse elektri-scher und elektronischer Produkte und Systeme zu integrieren, ein-schließlich der Kombination von Produkten, der Materialien und Kom-ponenten, aus denen sie bestehen.

Definition marktüblicher Technologien

Im Anschluss an die Literaturrecherche wurden marktübliche Technologien ermittelt. Dies beinhaltet die Klassifikation der marktüblichen Elektromoto-ren je nach Anwendungstyp und nach Technologieart sowie deren Markt-verteilung. Als Informationsquellen wurden Jahresberichte von Herstellern und Verbänden, Roadmaps, Technologiehandbücher, Konferenzbeiträge, Journale, Fachbücher und diverse Onlinequellen genutzt. Die gewonnenen Informationen aus der Recherche sind in Anhang 2 tabellarisch aufbereitet.

Elektromotoren machten im Jahr 2010 mit 66 % den größten Anteil am deutschen Stromverbrauch aus.48 Dieser hohe Wert spiegelt sich auch in der Bandbreite von Motortypen, Klassen und Technologien wider. Entspre-

48 Vgl. Plötz und Eichhammer (2011).


chend vielfältige Klassifikationen lassen sich in der Literatur finden.49 Elektromotoren lassen sich grundsätzlich nach Stromart (Wechsel- oder Gleichstrom), Technologie bzw. Magnetfelderzeugung (synchron, asyn-chron, permanentmagneterregt oder rein induktiv) oder Anwendung (dreh-zahlgesteuert, lastprofilvariabel, drehmomentabhängig) aufgegliedert.

Für die Studie wurden die Elektromotoren in zwei übergeordnete Klassen eingeteilt:

• Gleichstrommotoren und

• Wechselstrommotoren.

In der Industrie dominieren vor allem Wechselstrommotoren, da sie insbe-sondere wegen ihrer Einfachheit, der geringen Kosten sowie ihrer hohen Robustheit gegenüber Gleichstrommotoren bevorzugt werden.50

Abbildung 17 unterteilt Wechselstrommotoren in Asynchronmotoren (auch bezeichnet als Induktionsmotoren) und Synchronmotoren. Asynchronmoto-ren sind physisch nicht mit einem externen Kreislauf verbunden, womit der Erregerstrom über ein magnetisches Feld induziert wird. In Synchron-motoren wird der Erregerstrom direkt über Bürsten oder Schleifringe in den Rotor geleitet. Asynchronmotoren sind aufgrund ihres einfachen Auf-baus, ihrer Robustheit, der geringen Kosten und langen Lebensdauer weit verbreitet. Synchronmotoren zeigen einige nützliche Vorteile und kommen in spezialisierten Anwendungen zum Einsatz.50

Wechselstrommotoren können mit ein- bzw. mehrphasigem Wechselstrom betrieben werden. Einphasige Motoren sind am häufigsten anzutreffen und werden hauptsächlich für häusliche und gewerbliche Anwendungen einge-setzt. Jedoch arbeiten einphasige Wechselstrommotoren weniger effizient als dreiphasige vergleichbarer Größe. Deshalb kommen in industriellen Anwendungen vor allem dreiphasige Wechselstrommotoren zum Einsatz.

49 Vgl. Sauer und Kaul (2017), De Almeida A. T. (2016), Dummeier (kein Datum), Johnson Electric

(kein Datum), Plötz und Eichhammer (2011), Schröder (2013). 50 Vgl. U.S. Department of Energy (2014).


Sie arbeiten oft kontinuierlich und erreichen hohe Wirkungsgrade mit positiven Drehmoment- und Stromeigenschaften.50

Abbildung 17 zeigt weiterhin, dass sich Asynchronmotoren in Einphasen- und Dreiphasen-Induktionsmotoren untergliedern. Synchronmotoren teilen sich ebenfalls in einphasige und dreiphasige Synchronmotoren auf. Zu den einphasigen Synchronmotoren gehören u. a. der Reluktanzmotor, Unter-synchron-Reluktanzmotor, Hysterese-Motor sowie der Schrittmotor. Zu den dreiphasigen Synchronmotoren rechnen u. a. der Permanentmagnet-Motor, der Synchron-Reluktanzmotor, der Hysterese-Motor sowie der synchroni-sierte Induktionsmotor.51

• Reluktanz• Untersynchron-

Reluktanz• Hysterese• Schrittmotor

• Permanentmagnet• Synchron-

Reluktanz• Hysterese• Synchronisierte

Induktion

• Induktion mit Inverter

• Induktion ohne Inverter

SynchronmotorenEINPHASIG

SynchronmotorenDREIPHASIG

AsynchronmotorenEINPHASENINDUKTION

• Induktion mit Inverter

• Induktion ohne Inverter

AsynchronmotorenDREIPHASENINDUKTION

WECHSELSTROMMOTOREN

Abbildung 17: Klassifikation der Wechselstrommotoren52

Weitere Angaben zur Klassifikation der marktüblichen Elektromotoren je nach Anwendungstyp und Technologieart sowie deren Marktverteilung geben Tabelle 24 bis Tabelle 35 in Anhang 2 an. Die Tabellen liefern In-formationen zu typischen Anwendungen, Leistungsklassen, Energieeffizi-enz und Marktgröße verschiedener Elektromotorarten (Drehstrommotor, Linearmotor, Wechselstrommotor, Transversalflussmaschine, Universalmo-tor, Repulsionsmotor, Gleichstrommotor) und bilden damit die Grundlage für einen ersten Schritt in der Entscheidungsfindung des auszuwählenden Motortyps und der im Laufe der Studie betrachteten Anwendungsfälle.

51 Vgl. U.S. Department of Energy (2014). 52 In Anlehnung an Auer und Meinke (2017).


Interviews mit Herstellern, Verbänden und Forschergruppen

Die im Anschluss durchgeführten Interviews mit Herstellern, Verbänden und Forschungsgruppen komplettieren bzw. unterstützen die reine Litera-turrecherche. Die Interviews dienen dazu, sowohl die wissenschaftliche Betrachtung der geplanten Studie als auch die vergleichbar wichtige In-dustriesicht gleichwertig einzubinden. Dieser Ansatz stellt sicher, dass das Ergebnis auch praktisch umsetzbar bleibt und die Industrie, seien es Groß-unternehmen oder KMUs, nicht benachteiligt oder behindert, gleichzeitig aber auch einzelne Gruppen oder Unternehmen nicht bevorteilt werden.

Das Hauptziel der Interviews umfasste die Vorbereitung auf den Workshop und eine Vorabdiskussion über die Definition eines geeigneten Anwen-dungsfalls. Dieser soll folgende Aspekte erfüllen:

• möglichst verschiedene Technologieoptionen abzudecken,

• einen sinnvollen Vergleich mit dem Fokus auf die Nutzungsphase zu ermöglichen und

• die DIN EN 5059853 anzuwenden, um Vergleiche anstellen zu können.

Dadurch ergibt sich eine weitere Entscheidungshilfe für die Definition einer sinnvollen funktionellen Einheit sowie Anwendungsfälle und Motor-paare als Vorbereitung für den Workshop.


112 Anhang 2: Klassifikation der marktüblichen Elektromotoren

ANHANG 2: KLASSIFIKATION DER MARKTÜBLICHEN ELEKTROMOTOREN

Die nachfolgenden Tabelle 24 bis Tabelle 35 beinhalten die Klassifikation der marktüblichen Elektromotoren je nach Anwendungstyp und Technolo-gieart. Für die Recherche wurden unterschiedliche Quellen betrachtet.54

Tabelle 24: Technische Informationen zu Drehstrommotoren

Motorarten Wichtige Aspekte Anwendungen

Drehstrom Asynchron-maschine (auch Indukti-onsmaschine)

Erregerstrom nicht über elektrischen Stromkreis, sondern Induktion eines magnetischen Feldes; läuft dem Stator-Drehfeld zeitlich nach (Schlupf), Schlupf vergrößert sich mit zunehmender Last, Untertei-lung in Käfigläufer und Schleifringläufer, robust, kostengünstig, wartungsarm und lange Lebensdauer Käfigläufer: kostengünstig, wartungsarm, hohe Verläss-lichkeit, große Bandbreite von Drehmoment und Schlupf Schleifringläufer: kann Geschwindigkeit und Drehmo-ment über Widerstände im Rotorkreis kontrollieren Vorteile: gute Geschwindigkeitskontrolle, hohes Start-Drehmoment, geringer Startstrom, kann viele Starts und Stopps bewerkstelligen Einphasig betriebene Asynchronmotoren sind der Kondensatormotor, Spaltmotor und Anwurfmotor

Lüfter, Gebläse, Kompressoren, Pumpen, Förderantriebe, Bohrmaschinen, Hebezeuge

Drehstrom Synchron-maschine

Erregerstrom wird direkt in den Rotor über Bürsten und Schleifringe geleitet; Rotor-Magnetfeld läuft synchron mit Stator-Drehfeld (in gleicher Geschwindigkeit); teuer im Betrieb, verursacht hohen Aufwand Vorteil: wartungsarm Unterscheidung in Vollpolläufer, Schenkelpolläufer und permanent-magnetischen Motor

Hauptanwendung: Drehstromgeneratoren in Kraftwerken; außer-dem Antriebe für Gebläse, Pumpen, Verdichter, Fahrzeuge, Schiffe und Züge Vollpolläufer: in Wärmekraftwerken und Turbogeneratoren Schenkelpolmaschi-nen: in Wasserkraft-werken als Generatoren

Kaskaden-maschine

Zwei Arten: (1) doppelt ständergespeiste Drehstrom-kaskade (DDMK) und (2) selbstkaskadierende Maschine (SKM); geringer Umrichter- und Wartungsaufwand, hohe Zuverlässigkeit, allerdings komplizierte Regelung

Aufbau: Kombination aus zwei Asynchron-maschinen mit verbun-denen Rotoren, als Generator in Wind-kraftanlagen

54 Vgl. Schröder (2013), Johnson Electric (kein Datum), Dummeier (kein Datum), Graf (kein Datum),

Ott GmbH (2007), SEW Eurodrive (kein Datum).

Anhang 2: Klassifikation der marktüblichen Elektromotoren 113

Motorarten Wichtige Aspekte Anwendungen

Schrittmotor

Synchronmotor, bei dem der Rotor um einen minimalen Winkel oder sein Vielfaches gedreht werden kann. Existieren auch in Form von Linearmotoren, höhere Polpaarzahl; funktioniert nur zusammen mit einem ent-sprechenden Stellglied

Drucker, vor allem Matrixdrucker Antrieb des Schreib-/Lesekopfes in einem Diskettenlaufwerk, computergesteuerte Werkzeug-maschinen zur Positionierung der Werkzeuge Kraftfahrzeuge: Betätigung von Klappen bei Heizungs- und Klimaanlagen

Bürstenloser Gleichstrom-motor (= Uni-versalmotor)

Nicht vom Namen verwirren lassen: wird mit Drehstrom betrieben, Regelverhalten ähnelt einer Gleichstrommaschine, Aufbau wie eine Drehstrom-Synchronmaschine mit Erregung durch Permanentmagnete Vorteile: hohe Lebensdauer, nur durch Lagerverschleiß begrenzt, schnelles Beschleu-nigen und Abbremsen möglich Nachteile: Funken, die bei den Bürsten entstehen (Bürstenfeuer) Hauptursache für hochfrequente Störungen, maximale Drehge-schwindigkeit durch erhitzte Bürsten begrenzt

Kleine Ventilatoren, Antriebe im Diskettenlaufwerk, Kompressoren, Videorekorder, Modellflugzeuge, Servomotoren, Antriebssysteme für Werkzeug-maschinen wie Drehmaschinen

Tabelle 25: Marktrelevante Informationen zu Drehstrommotoren

Motorarten Leistungsklasse Energieeffizienz Marktgröße Drehstrom Asynchron-maschine (auch Induktions-maschine)

0,09 kW – 225 kW; bis 20 MW als MV Motor

IE0 bis IE2 durch IE3- und IE4-Ausführung als hoch/höchst effizienter Antrieb abgelöst/ erhältlich

65 – 70 % aller produzier-ten Elektromotoren sind Asynchronmotoren, häufigster Industriemotor ist der Käfigläufer

Drehstrom Synchron-maschine

Vollpolläufer: bis 2000 MVA (Scheinleis-tung) Schenkelpolmaschi-nen: bis 1000 MVA

Können 1 – 2 % höhe-ren Wirkungsgrad erreichen als Asyn-chronmotoren, mit 90 % höchster Wirkungsgrad aller Elektromotoren

Nur selten eingesetzt

Kaskaden-maschine

Keine Information (10 – 100 kW für ein spezifisches Projekt)

Keine Informationen Keine Informationen

Schrittmotor

Können bis 1 kW wirtschaftlich einge-setzt werden

Die Effizienz ist von untergeordneter Bedeutung, da An-triebsleistung unwich-tig ist; man nimmt oft eine geringe Effizienz in Kauf.

Keine Informationen

Bürstenloser Gleichstrommotor (= Universalmotor)

bis 0,3 – 2 kW (können aber auch höhere Leistungen liefern, z. B. bis 30 kW)

Hoher Wirkungsgrad, auch im Teillastbereich; kann über 90 % errei-chen (z. B. bei Nenn-leistung von 2 – 3 kW, kommt aber auf das Modell an)

Keine Informationen


Tabelle 26: Technische Informationen zu Wechselstrommotoren

Motor-arten Wichtige Aspekte Anwendungen

Kondensa-tormotor

Eignet sich besonders für Antriebe, die direkt aus dem Niederspannungsnetz (230 V) versorgt werden; langlebig, keine Funkenbildung im Motor Vorteile: wartungsfrei, hohe Lebensdauer Nachteile: höhere Masse, geringes Anlaufmoment, zusätzlich erforderlicher Kondensator

Größere Kältemaschinen, Rohrmotor für Rollladen- und Markisenantriebe, Rasenmäher, Schleifblöcke, größere Ventila-toren, Umwälzpumpen in Heizungsanlagen

Spaltmotor

Vorteile: einfacher Aufbau, preiswert, wartungs-frei, hohe Lebensdauer, selbsttätiger Anlauf Nachteile: geringer Wirkungsgrad, nur für kleine Leistungen verwendbar, geringe Leistungsdichte

Haushaltsbereich, v. a. für Kurzzeitbetrieb, Lüftermotor für Elektroheizgeräte, Pumpe in Waschmaschine und Wäsche-trocknern, Antriebsmotor für Kühlaggregate und Kühltruhen, Wäscheschleudern

Synchron-motor/ Einphasen-Asynchron-motor

Kann mit Einphasen-Wechselstrom oder Drehstrom betrieben werden, hat eine zur Wechselspannung synchrone Bewegung Läufer: Permanentmagnet oder Elektromagnet, benötigt Anfahrhilfe zum Starten Vorteile: niedrige Betriebs- und Wartungskosten, kein Verschleiß der Bürsten und höherer Wir-kungsgrad Nachteile: unerwünschte Drehschwindungen des Läufers und schwieriger Selbstanlauf am Dreh-stromnetz, benötigt Anlaufhilfe

Eignet sich für Anwendungen, bei denen belastungsunabhän-gige, stabile Drehzahl gefordert ist: elektrische Uhren, Programmschaltwerke, Zeitrelais, Antrieb von Messschreibern

Reluktanz-motor

Drehmoment im Rotor wird durch Reluktanzkraft (minimal magnetischer Widerstand) und nicht durch Lorentzkraft erzeugt, d. h. enthält keine Permanentmagneten oder elektrischen Wicklungen am Rotor, keine verschleißanfälligen Schleifringe und Bürsten, Rotor besteht aus einem permeablen, weichmagnetischen Material wie Elektroblech Vorteile: kostengünstig, robust, Verluste nur im ruhenden Stator, tolerant gegen kurzzeitige Über-lastung Nachteile: geringe Drehmomentdichte, hohe Geräuschbelastung, höhere Scheinleistung, Unter-scheidung in Synchron-Reluktanzmotor, Asyn-chronmotor mit Reluktanzmoment, geschaltete Reluktanzmaschine, Reluktanz-Schrittmotor

Für mittelgroße Antriebe mit geringen Einschaltzeiten, geeignet für raue Umgebungen, Kompressoren und Werkzeug-maschinen (für solche Anwen-dungen höhere Effizienz als Asynchronmotoren mit gleicher Leistung) Textilindustrie: Abspulen von Garn, geschaltete Reluktanzmotoren in Hybridelektrofahrzeugen als paralleler Hybridantrieb, größere Haushaltsmaschinen: Waschmaschinen, Reinigungs-pumpen

Magnet-motor

Nassläufer, dessen rotierende Teile sich im flüssi-gen Fördermedium drehen; funktioniert nach dem Prinzip des Reluktanz- oder Synchronmotors, auf einer Welle befindlicher Dauermagnet-Läufer dreht sich in einem Kunststoffrohr (mit Flüssigkeit) zwischen den Polen eines mit Wechselstrom betriebenen Ständermagneten, Sonderform der robusten Asynchronmotoren mit Rotoren in Form von wassergekühlten Käfigläufern Vorteile: besserer Wirkungsgrad als Asynchron-motor, hohes Drehmoment bei niedrigem Anlauf-strom Nachteil: Austrocknung führt dazu, dass Verun-reinigungen die Welle und das Rohr verkleben können, sodass sich die Welle nicht mehr drehen kann

Umwälzpumpe und Laugen-pumpe in Waschmaschine und Geschirrspüler Vorförderpumpe in Treib-stofftanks Pumpe für Chemikalien und Lebensmittel


Tabelle 27: Marktrelevante Informationen zu Wechselstrommotoren

Motor-arten Leistungsklasse Energieeffizienz Marktgröße

Kondensa-tormotor

Bis 300 W Keine Informationen Hohe Verbreitung (siehe Anwendungen) in Baumaschinen (Beton-mischer), Agrar-/ Landwirtschaft, Hand-werkzeuge, weiße Ware, etc.

Spaltmotor Bis 300 W Mit 30 % sehr schlechter Wirkungsgrad

Keine Informationen

Synchronmo-tor/Einphasen-Asynchron-motor

In industriellen Anwen-dungen bis ca. 10 kW eingesetzt (in einer anderen Quelle: 75 kW; 1400 MW für Synchron-Turbogenerator eines Dampfkraftwerks)

Permanent-Synchronmotoren: bis zu IE4, Wirkungsgrad bis 96 %

Keine Informationen

Reluktanz-motor

Bis 400 kW Höhere Effizienz bei niedrigen Drehzahlen, bis 94 % möglich; Arbeiten im Teillastbereich sehr effizient; Synchron-Reluktanz-motoren: IE4 oder höher (jedoch nur mit höherem Strom und niedrigem Leistungsfaktor, was Größe und Kosten beeinflussen kann)

Keine Informationen

Magnet-motor

Keine Informationen 50 – 60 % Keine Informationen

Tabelle 28: Technische Informationen zu Gleichstrommotoren

Motor-arten

Wichtige Aspekte Anwendungen

Permanent-erregter Gleich-strommotor

Das Stator-Magnetfeld wird bei kleineren Motoren oft durch Permanentmagnete erzeugt. Die Magnete sind immer leistungs-fähiger geworden und würden auch den Bau größerer Motoren gestatten. Die Kosten großer Permanentmagneten sind jedoch zu hoch; sehr hohe Einschaltströme Vorteil: keine Energie zur Erzeugung des Magnetfeldes notwendig, womit sich der Gesamtwirkungsgrad verbessert Nachteil: eingeschränkte Drehzahlvariie-rung.

Ideal für kleinere Anwendungen: hauptsächlich als Antrieb für Lüfter und Ventilatoren, auch als Anlasser in Fahrzeugen


Motor-arten Wichtige Aspekte Anwendungen

Elektrisch erregter Gleich-strommotor

Statorfeld wird von einem Elektromagneten erzeugt (elektrische Erregung); ist die Erregerwicklung vom Ankerstromkreis unabhängig, spricht man von Fremderre-gung, sind Rotor und Statorwicklung miteinander verbunden, wird unterschieden in: Reihenschlussmaschine: Erreger und Ankerwicklung in Reihe geschaltet, auch als Universalmotor (siehe unten) bezeich-net, kann mit Wechselstrom betrieben werden, bei Wechselspannungsbetrieb geringerer Einschaltstrom als Nebenschluss oder permanent erregte Motoren, liefern kurzzeitig ein sehr hohes Anlaufmoment, weswegen sie in Anlassern, Straßenbahn-fahrzeugen und Elektrolokomotiven ver-wendet werden Nebenschlussmaschine: Erreger und Ankerwicklung parallel geschaltet, kein Wechselspannungsbetrieb möglich, eignet sich besonders für Anwendungen, bei denen das Lastmoment schwankt, die Drehzahl aber möglichst konstant sein soll (z. B. Förderband, Hebezeuge) Doppelschlussmotor: Kombination aus Reihen- und Nebenschlussmaschine, je nach Auslegung hat der Doppelschlussmo-tor unterschiedliches Betriebsverhalten

Reihenschlussmaschine: Einsatz z. B. in älteren Elektroloko-motiven, in verschiedenen Haus-haltsmaschinen (Staubsauger, Küchenmaschinen), in Elektrohand-geräten, wie Bohrmaschine, Anlasser großer Verbrennungsmotoren, wie in Lastwagen Nebenschlussmaschine: Förderbänder, Hebezeuge Doppelschlussmotor: hauptsächlich eingesetzt in dynamischen Invertern

Gleich-strommotor

Wird mit Gleichstrom betrieben, kann unter Belastung anlaufen und Drehzahl ist leicht veränderbar Merkmal: Kommutator, mit dessen Hilfe im Rotor ein drehzahlunabhängiger Wech-selstrom erzeugt wird, Schleifkontakte am Kommutator wechseln während der Dre-hung die Polung Vorteil: günstig in der Anwendung, gute Regelbarkeit. Unterscheidung zwischen: elektrisch erregter Gleichstrommotor: Stator ist Elektromagnet Unterscheidung zwischen Reihenschluss-maschine (Erreger- und Ankerwicklung in Reihe geschaltet), Nebenschlussmaschine (Erreger- und Ankerwicklung parallel geschaltet) und Doppelschlussmotor (Kombination aus Reihen- und Neben-schlussmaschine), Fremderregte Maschine: Anker- und Erregerwicklung aus zwei unterschiedli-chen und getrennt voneinander einstellba-ren Gleichstromstellern gespeist, Drehzahl kann über Nenndrehzahl gesteigert werden

Gleichstrommotoren immer mehr von Drehstrommotoren abgelöst, jedoch gibt es noch einige Nischen, wo sie angewendet werden: vor allem in der Antriebstechnik eingesetzt, Einsatz als Servomotoren in Regelungstechnik (z. B. Automo-bilbereich: Scheibenwischer, Geblä-se- und Stellmotoren), Werkzeugma-schinen, Förderanlagen und Walz-straßen, Schrittmotoren in Robotern und Druckern, Spielzeuge, ferngesteuerte Fahrzeuge, Boote oder Flugzeuge, Stellantriebe Gebläse, Kühler-Ventilatoren, Elektroantrieb an Fahrrädern


Tabelle 29: Marktrelevante Informationen zu Gleichstrommotoren

Motor-arten Leistungsklasse Energieeffizienz Marktgröße

Gleichstrom-motor

Bis 10.000 kW; weit verbreitet sind perma-nenterregte Gleich-strommotoren bis 100 W für Fahrzeuge

Keine Informationen Nicht sehr stark verbreitet

Permanenter-regter Gleich-strommotor

Keine Informationen Keine Informationen Keine Informationen

Elektrisch erregter Gleichstrom-motor

Keine Informationen Keine Informationen In den 1980er Jahren die einzige Möglichkeit, preis-wert die Drehzahl zu stellen (mehrere 10.000/a) Wurde mit dem Siegeszug der IGBT in den FU abgelöst durch die DASM am FU, da nun auch der Motor war-tungsarm gebaut werden konnte, heute nur noch in > 1 MW im Einsatz

Tabelle 30: Technische und marktrelevante Informationen zu Linearmotoren

Linearmotor

Wichtige Aspekte

Anders als die rotierenden Maschinen versetzt ein Linearmotor die von ihm angetriebenen Objekte nicht in eine drehende, sondern in eine gradlinige Bewegung (Translationsbewegung). Wurde vor dem rotatorischen Motor erfun-den und war für den Antrieb von Lokomotiven gedacht. Vorteil: hohe Beschleu-nigung und Verfahrensgeschwindigkeiten. Nachteil: Reaktionskräfte müssen im Maschinenbett aufgenommen werden; Maschinenkonstruktionen unterscheiden sich grundlegend zwischen rotativ und translatorisch

Anwendungen

Werkzeugmaschinen Positionierungssysteme Handlingsysteme in Bearbeitungszentren, welche den Materialfluss von oder zu einer Wirkstelle bewältigen (Industrieroboter) Einsatz in Positioniergeräten, Ultraschallmikroskopen, Plasmaschneideanlagen, Laserschneideanlagen, Wasserstrahlschneideanlagen Pumpen für flüssige Metalle Bahnantriebe Elektrische Zahnbürsten, Rasierer, Mundduschen

Leistungsklasse Keine Information

Energieeffizienz Keine Information

Marktgröße Keine Information


Tabelle 31: Technische und marktrelevante Informationen Transversalflussmaschine

Transversalflussmaschine

Wichtige Aspekte

Meist als permanenterregte Synchronmaschinen ausgeführt (ein- oder mehrpha-sig), aber auch als Asynchronmaschine möglich. Vorteile: Entkopplung des magnetischen und elektrischen Kreises, unabhängige Dimensionierung. Nach-teile: aufwändige mechanische Konstruktion und hohe Drehmomentwelligkeit.

Anwendungen Keine Informationen

Leistungsklasse Bis 30 kW oder mehr

Energieeffizienz Über 97 % Wirkungsgrad möglich

Marktgröße Keine Informationen

Tabelle 32: Technische und marktrelevante Informationen Repulsionsmotor

Repulsionsmotor

Wichtige Aspekte

Sonderbauform des Einphasen-Asynchronmotors, bei dem zwecks Drehzahl und Drehmomenteinstellung die Bürsten in ihrer Position verstellt werden können. Es gibt Repulsionsmotoren mit einfachem und doppeltem Bürstensatz. Letztere ermöglichen eine feinstufigere Drehzahleinstellung und haben einen etwas höheren Wirkungsgrad, aber doppelt so hohe Wartungskosten aufgrund des höheren Verschleißes. Vorteil: stoßfreies Anfahren bei hohen Lastmomenten, einfache Drehzahlsteuerung, geringer Beschaltungsaufwand, robust, feinstufige Drehzahlsteuerung möglich. Nachteil: hohe Anlaufströme, geringer Wirkungs-grad, starke Blindstrom-Belastung im Netz, Verschleiß der Kohlebürsten und damit wartungsintensiv, aufwendiger Aufbau

Anwendungen

Einsatz überall dort, wo ein stoßfreier, aber kräftiger Anlauf erforderlich ist (im kleinen und mittleren Leistungsbereich) z. B.: Elektrolokomotiven in Spinnereien in Druckmaschinen Maschinen zur Textilherstellung Krananlagen Schleifmaschinen Honigschleudern Automatisierungstechnik

Leistungsklasse Einsatz vor allem für kleine und mittlere Leistungen Keine genaueren Informationen gefunden

Energieeffizienz Geringer Wirkungsgrad

Marktgröße Zunehmende Verdrängung durch Asynchron-Drehstrommaschinen mit Fre-quenzrichtern


Tabelle 33: Technische und marktrelevante Informationen Universalmotor

Universalmotor

Wichtige Aspekte

Auch Einphasen-Reihenschlussmotor genannt. Kann mit Gleich- und Wechsel-strom betrieben werden. Wirkungsweise ist die gleiche wie bei Gleichstrommo-tor. Vorteile: gute Drehzahlstellmöglichkeiten, großes Moment bei kleiner Drehzahl, geringere Masse an Eisen und Kupfer als bei einem Asynchronmotor Nachteile: höhere Herstellungskosten als Asynchronmaschine, für konstante Drehzahl ist Regelung nötig, Bürstenapparat und Kommutator sind wartungsbe-dürftig

Anwendungen

Bahnmotoren Antrieb für Elektrowerkzeuge (z. B. Handbohrmaschinen, Winkelschleifer, Handkreissägen) in fast allen elektrischen Haushaltsgeräten (z. B. Waschmaschinen, Staubsauger, Mixer, Modelleisenbahnen)

Leistungsklasse Kleine Motoren: bis 3 kW

Energieeffizienz Wirkungsgrad zwischen 40 % und 70 %

Marktgröße Gehören zu den wichtigsten Kleinmotoren (siehe Bürstenloser Gleichstrommo-tor)

Tabelle 34: Technische Informationen zu Elektromotoren ohne wirtschaftliche Bedeutung

Motor-arten

Wichtige Aspekte Anwendungen

Kugellager-motor

Besteht nur aus einem Kugellager und einer Spannungsquelle. Kugellager muss von Hand in eine dem Anschub dienende Rotation versetzt werden. Strom durch Kugellager ist so groß, dass sich Kugeln erwärmen und thermisch verformen

Keine praktischen Anwendungen wegen sehr geringen Wirkungs-grads

Unipolarma-schine

Ist ein Generator; Erzeugung eines hohen Gleichstroms mit niedriger Spannung

Nur noch geringe praktische Bedeutung, da leistungsfähige Gleichrichter verfügbar sind und der Wirkungsgrad von Wechselspan-nung liefernden Generatoren wie Synchrongenerator oder Asyn-chrongenerator deutlich höher ist

Homopolar-motor

Kommutatorloser Gleichstrommotor basie-rend auf der Unipolarmaschine, solche Motoren bestehen nur aus einer einzigen Stromschleife; Erzeugen nur kleine Dreh-momente

Technische Anwendung stark eingeschränkt, da solche Motoren nur kleine Drehmomente erzeugen.

Barlow-Rad Ist ein Homopolarmotor Keine Verwendung mehr

Tabelle 35: Marktrelevante Informationen zu Elektromotoren ohne wirtschaftliche Bedeutung

Motorarten Leistungsklasse Energieeffizienz Marktgröße Kugellagermotor Keine Informationen Sehr kleiner Wirkungsgrad Nicht verbreitet Unipolarmaschine Keine Informationen Keine Informationen Nicht verbreitet Homopolarmotor Keine Informationen Keine Informationen Nicht verbreitet Barlow-Rad Keine Informationen Keine Informationen Nicht verbreitet

120 Anhang 3: Protokoll und Ergebnisse des Workshops

ANHANG 3: PROTOKOLL UND ERGEBNISSE DES WORKSHOPS

Agenda und Protokoll zum Workshop „Vergleichende ökologische und ökonomische Analyse von effizienten Elektromotoren in der industriellen Produktion“

Wann: Mittwoch, 13.09.2017, 10:00 – 16:30 Uhr

Wo: thinkstep AG, Hauptstraße 111 – 113, 70771 Leinfelden-Echterdingen

8 Teilnehmer

Agenda

TOP 1 Begrüßung der Teilnehmer inkl. kurzer Vorstellungsrunde

TOP 2 Vorstellung des Ziels und der gewünschten Ergebnisse aus dem Workshop

TOP 3 Zusammenfassung des Projekts inkl. kurzer Einführung zu Öko-bilanzen

TOP 4 Mittagessen

TOP 5 Vorstellung der einzelnen Beispiele und Beiträge der Teilnehmer mit Schwerpunkt auf:

Eigene Vorstellungen oder Wünsche zum Projekt

Art und Eigenschaften des angedachten Motors/Motorsystems

Möglicher Anwendungsfall (Verlust, Effizienz, Motorsystem, Motor-technologien, Nutzungsprofil, Arbeits-/Lastpunkte, Szenarien etc.); falls anwendbar, auch mit zusätzlichen Systemkomponenten wie Fre-quenzumrichter, Start-Stopp, Getriebe etc.

Anhang 3: Protokoll und Ergebnisse des Workshops 121

Datenlage, -verfügbarkeit zur Herstellung, Nutzung, Entsorgung für die Umweltbewertung mit Ökobilanz sowie für die Lebenszykluskos-tenanalyse

TOP 6 Diskussion und Entscheidungen zur Auswahl inkl. Abgleich mit Zielsetzung aus dem Vormittag

TOP 7 Zusammenfassung

TOP 8 Ende

Protokoll

Details zu TOP 5

ebm-papst

(Beispiele zur Verfügung gestellt, da nicht persönlich anwesend)

Situation 1: Centrifugal Fans in cooling tower, angetrieben mit einem Motor

Situation 2: neue Version nutzt stattdessen vier kleinere Motoren mit höherer Effizienz

Vergleich der ein- mit der viermotorigen Lösung anhand von Ver-brauchswerten etc.

SEW Drives

Beispiel: Produktionsstraße, effiDrive

Beispiel 1: Zuluftanlage

– Ursprungszustand: vier Motoren mit nur zwei Betriebspunkten

– Lösungsideen: Frequenzumrichter + Energiesparfunktion + Ener-giesparmotor


– 14 % Kosten gespart

Tabelle mit weiteren Beispielen und Vergleichswerten, u. a. benötigte Betriebsstunden, um 1 kWh einzusparen

Beispiel 2: intelligente Ansteuerung/Kopplung von Fahr- und Huban-trieb für Hochregale, um Spitzenlasten auszugleichen/zu vermeiden

– In dem Fall ohne jegliche Änderung der Komponenten; bestehen-der Lagerverwaltungsrechner wurde optimiert

– Hürden: z. B. Wartungsvertrag mit den (Original)-Herstellern

Vorstellung Projektierungstool

– Eingabe aller nötigen Werte für Anwendung möglich

– Außerdem, welche Art von Motor, Getriebe etc.

Schwierigkeit, eine passende Referenz zu finden, die so allgemein ge-fasst ist, dass sich der Leser wiederfindet

Siemens

Beispiel: Schraubenkompressorantrieb

Vergleichende Betrachtung von Antriebssystemen mit Asynchron- und Reluktanztechnik

– Beide Motoren mit Frequenzumrichter

– Keine IE-Klasse definiert, asynchron könnte jedoch IE3-Klasse und Reluktanzmotor IE4-Klasse zugeordnet werden

– Besonderheit: Reluktanzmotoren haben keinen Permanent-Magneten

– Beide Motoren 33 kW

– Darstellung von Drehmoment, Leistung im Lastprofil, inklusive Be-triebsdauer


– Betrachtung des Wirkungsgrads: Reluktanzmotor hat höheren Wirkungsgrad

– Betrachtung der Systemverluste: Je nach Betriebspunkt lassen sich 400 W - 1 kW Verluste mit dem Reluktanzmotor einsparen.

– Reluktanzmotor benötigt nicht viel mehr Materialeinsatz, wenn man versuchen würde, den Asynchronmotor auf IE4-Klasse zu he-ben.

– Möglichkeit vorhanden, Permanentmagnete in den Reluktanzmo-tor einzubauen, um die Leistung zu steigern.

– Markt: Anteil IE4 am Markt 0,5 % bis <1 %

Diskussionen

(1) Diskussion -- Allgemeine Themen

Teilnehmer 1: System-Validierung -- wie gut funktioniert es bzw. validiert man ein System?

Erklärung: System besteht aus Motor, Umrichter; es gibt zwar produktspe-zifische Richtlinien, aber für viele Anwendungen noch keine Richtlinien; Datenverfügbarkeit und Transparenz nicht in allen Fällen gegeben.

Für Teilnehmer 1 ist auch die soziale Komponente wichtig, Teilnehmer 3 sagt, die Standardisierung kann dies in gewissem Maße ersetzen.

Teilnehmer 2 erklärt Beispiel bzgl. Förderband für Koffer: weg von Netzan-trieben und hin zu bedarfsorientierten Antrieben (mal schnell, mal lang-sam, je nach Bedarf und „Kofferanzahl“).

Teilnehmer 3: aber nur relevant, wenn entsprechende Vorschriften beste-hen, sonst wird da von Seiten des Marktes nichts passieren, da Verfügbar-keit und Funktionssicherstellung über allem stehen

Teilnehmer 2: spezifisches Know-how notwendig, Beispiel wieder Koffer-Förderband (Strecke, wie viel Schienen, Weichen etc.)


Teilnehmer 4 stellt die Frage, wie die Beispiele am Ende technisch darge-stellt werden, um diese anzuwenden und gleichzeitig eine Vergleichbarkeit sicherzustellen (z. B. Herunterbrechen auf Verbrauch oder Ähnliches).

Teilnehmer 4: Ist eine funktionelle Einheit bei der Komplexität machbar?

Teilnehmer 1: Die Anforderung an ein System oder einen Motor kommt immer aus einer höheren Sicht bzw. Betrachtung (z. B. Plane-to-plane für Koffer) -- welches Motorsystem passt, um 99,9 % Verfügbarkeit zu gewähr-leisten? Welches Motorsystem/welche Technologie ist dem Kunden zu-nächst egal, Hauptsache plane-to-plane und 99,9 % Verfügbarkeit sind sichergestellt.

Teilnehmer 1: DIN EN 50598 deckt nicht den Bereich, der über 100 % der Drehzahl oder des Drehmoments geht.

Beispiele, die aus diesem Bereich vorliegen, können von Teilnehmer 1 zur Verfügung gestellt werden.

Fazit: Es gibt keinen repräsentativen Fall, der allgemeingültige Ergebnisse liefern kann; komplexe Systeme benötigen immer eine Einzelbetrachtung; abgeleitete/erkannte/vorgegebene Anforderungen können manchmal durch alternative Technologien erfüllt werden; es liegen unterschiedliche Ebenen vor, wie beispielsweise die Anforderungsebene Anwendung (was soll erfüllt werden), Übertragung in funktionsbereitstellende Elemente (was ist/kann Bestandteil des Systems sein), technische Größe (z. B. bereitge-stelltes Drehmoment, variable Drehzahlanpassung).

(2) Diskussion – Betrachtung des Lebenszyklus

Gesamtlebenszyklus ist zu betrachten.

Teilnehmer 3: Ressourceninanspruchnahme und Materialeinsatz lassen sich im Laufe des Lebenszyklus nicht mehr „einsparen“, z. B. durch Nut-zungsphase. Kritikalität wird in Zukunft wichtiger, auch wenn die Indikato-ren, um das zu berechnen, noch nicht 100 % verlässlich sind.

Teilnehmer 2 sieht das etwas anders, Kosten beinhalten das eigentlich schon.


Fazit: Die gewählten Indikatoren können Sichtweise und Lernkurve sehr gut unterstützen und auch zu mehrwertigen Diskussionen führen.

(3) Diskussion -- Stücklisten/Datensammlung

Frage nach benötigtem Detailgrad der Stücklisten. Leistungselektronik oft schwer detailliert darzustellen bzw. Daten zu erheben

Teilnehmer 4: Nimmt man Priorisierung vor, welche Daten sind wichtiger als andere?

thinkstep AG: Im Bereich Elektronik gibt es ein paar typische Umweltas-pekte; oft sind diese aber nicht zwingend hierarchisch (Reihenfolge abhän-gig von Produktart, Bestückung und ob z. B. Signal- oder Leistungselektro-nik verbaut sind). 1. Die Fläche der Leiterplatte zählt mehr als die Bestü-ckung; Prozessaufwand richtet sich nach Fläche, weniger nach Masse der Leiterplatte; 2. Die Fläche der Halbleiter bzw. eher die Fläche des „Die“ in den Halbleitern/Chips („Die“ (engl.) ist der verbaute Teil des prozessierten Wafers in einem Chip); 3. Alles, was Masse mitbringt, da ab einem gewis-sen Prozentsatz Materialien die Wirkungen der aufwendigen Prozesstech-nologien in der Elektronik aufwiegen; 4. Edelmetalle (Gold etc.)

Fazit: Die Datenaufnahme wird zielgerichtet ablaufen; zudem wird die thinkstep AG, soweit möglich, eine Anleitung in den Projektbericht ein-bauen, der praktische Hilfe geben soll, wie beispielsweise den Hinweis, was wichtig ist bei Elektronik.

(4) Diskussion (Nachmittag) -- Datensammlung Fortsetzung

Aus Sicht des Lesers: Wie Daten sammeln? Wer ist Ansprechpartner in meinem Unternehmen? Stichwort Environmental Conscious Design Stan-dard IEC 62430, Strukturen im Unternehmen oft nicht eindeutig

Fazit: Kapitel einbauen, welches dieses Thema behandelt, sprich, wie mit Richtlinien wie z. B. der VDI 4600 und der VDI 4800 umzugehen ist


(5) Diskussion -- Untersuchungsrahmen

Teilnehmer 2: Kunden ist es prinzipiell egal, welche Größe Teil x hat, Funk-tion ist wichtig und für den Hersteller im Gegenzug, was die dort verwen-deten Materialien sind. Das macht den Umgang mit Zahlen herausfordernd.

Teilnehmer 3: Idee hinter Diagramm auf Folie 29 war: „Hersteller, überleg dir deine repräsentativen Produkte, um damit Aussagen über die gesamte Produktpalette zu treffen“; Stichwort: Screen, Scope, Scale; das erspart Datenaufnahmen für jedes Einzelprodukt und ermöglicht einfache Skalie-rungen für Einzelprodukte innerhalb einer Produktgruppe.

Fazit: Soweit möglich werden diese Vereinfachungen respektive Skalie-rungsoptionen angesprochen. Da das Feld aber sehr breit ist, muss auf zukünftige/firmeneigene oder durch Standardisierung gesteuerte Analysen hingewiesen werden. Auf Standardisierungsebene geht es in diese Rich-tung (u. a. DIN EN 50598-3, Anhang B).

(6) Diskussion -- Funktionelle Einheit

Teilnehmer 3: EPA aus DIN EN 50598 definiert keine funktionelle Einheit im Sinne von „Bereitstellung eines Drehmoments x über Zeitraum y“.

Teilnehmer 1: Jeder Motor stellt ein Drehmoment bereit.

Teilnehmer 3: darauf achten, dass bei der Definition eines Drehmoments eine entsprechende Vielzahl von Anwendungen berücksichtigt werden kann.

Fazit: Die zu wählende funktionelle Einheit sollte, abhängig vom Anwen-dungsfall, technische Größen ausweisen (siehe Fazit Punkt 1), der Anwen-dungsfall sollte entsprechend klar beschrieben und nachvollziehbar sein. Die „Operation Points“ (OP, Betriebspunkte) aus DIN EN 50598-3 müssen klar definiert werden.

(7) Diskussion -- Matrixkriterien und Festlegung Beispiele

Frage thinkstep AG: Gibt es Anwendungen, bei denen Permanent-Magneten eingesetzt werden?


Teilnehmer 1: mechatronisches System mit integrierter Elektronik, Getrie-be etc.

thinkstep AG: Gibt es gleiches System auch mit IE2 und IE3 plus FU? Ja, aber nicht üblich/Herangehensweise ist anders, es wird vom Kunden zur Lösung gedacht, nicht in alternativen Systemen

1. Vorschlag nach Diskussion:

• IE2 asynchron,

• IE3 asynchron,

• IE4 Reluktanzmotor,

• IE(4)5 Reluktanzmotor mit Permanentmagnet

Damit wäre das Ergebnis zunächst erwartungsgemäß (Energieverbrauch dominiert und bestimmt Ergebnis).

Teilnehmer 1: würde die Falle veranschaulichen, in die viele Kunden tre-ten: Systemansatz vergessen, siehe Beispiel oben mit intelligenter Ansteu-erung

2. Vorschlag:

• 2 Anwendungsbeispiele für Motoren oben nehmen.

Teilnehmer 5: schwierig, Vergleichbarkeit untereinander sicherzustellen

Teilnehmer 1: Funktionelle Einheit gibt Toleranzrahmen vor bzw. kann diesen vorgeben.

Teilnehmer 2: Kubikmeter Luft aus Kompressor pro Stunde als mögliche Anwendung?

Teilnehmer 1: Basisstudie sollte relativ breiten Anwendungsfall abdecken (Menge m3 Luft z. B.) --> Performance-Charakteristik

Almeida-Studie heranziehen als Grundlage, um Cluster zu definieren


Teilnehmer 2: Nutzungsdauer relevanter bei höheren Leistungen (da mehr Energieverbrauch insgesamt)

Fazit: Nach weiteren Diskussionen ergibt sich folgender Beschluss:

(1) Szenario „Technologievergleich“ mit Vergleich verschiedener Leis-tungsklassen nach Almeida: 1,1 kW, 11 kW und 110 kW Leistungs-klassen, asynchron, Netzbetrieb, bei 100 % Last

(a) Siehe Quelle Auer und Meincke (2017), Siemens, Motorenvergleich 110 kW, Ableitung des Vorgehens auf 1,1 kW oder 11 kW

(b) Daten zu Motoren sollten bei ZVEI vorliegen (besser Eingangsdaten zu bekommen, als aus Almeida-Studie herauszuziehen)

(c) Anwendungsfall, der direkt IE-Klassen vergleicht

(d) Zahlen im Zentrum des Ergebnisses/Mehrwerts

(2) Szenario „Systemvergleich“, regelungsrelevant inklusive Umrichter, um Systemansatz zu bekommen; Idee, Pumpen zu nehmen, eher Leis-tungsklasse bei 10 kW, damit System individuell ist (kleinere Klassen nutzen oft „Standardlösungen“ oder einfache Lösungen)

(a) Pumpen sind nicht repräsentativ für Antriebsmarkt (wichtig für Er-gebnisdarstellung und Interpretation), aber Themen/Inhalte lassen sich gut transportieren/eher verständlich

(b) Netz IE3, IE2 mit Umrichter, Permanent-Magnet-Motoren (höchste Effizienz, mindestens IE4)

(c) Technologievergleich vermieden, da Ergebnis mit unterschiedlichen Effizienzklassen überlagert

(d) Leitfadencharakter: Denke in Systemen, schau nicht nur auf Ein-zelmotor und IE-Klasse.

(3) Evtl. Negativszenario

(a) Pumpe wie oben, aber fixer Arbeits-/Lastpunkt


(b) Vergleich mit und ohne Frequenzumrichter (damit Frequenzum-richter ohne Nutzen ist)

(4) Evtl. qualitative Beispiele je Drehmoment/Lastprofil aus DIN EN 50598-1, Bild 3 „Typische Drehmoment/Leistungsprofile in Abhän-gigkeit von Drehzahl …“

(a) Adressieren von Systemdenken

Beispiele: Kompressor mit und ohne Druckspeicher, Bypass, För-derbänder mit intelligenter Zeitsteuerung (Spitzen vermeiden), Reluktanzmotor einfließen lassen, vier individuelle Lüfter statt eines großen im Kühlturm (retrofit)

Vorstellung der Ergebnisse des Workshops beim ZVEI am 19.09.2017

Auf Basis der im Workshop erarbeiteten Ergebnisse konnte Herr Herrmann diese dem ZVEI Fachbereich Elektrische Antriebe vorstellen und die Mög-lichkeit zur Diskussion mit weiteren Fachleuten der Branche und zum Aufruf für weitere Eingangsdaten nutzen. Folgende Punkte können hervor-gehoben werden:

• Komplexe Systeme: Kaskaden-Szenario wäre gut; zwei Motoren, um Lastbereich bei Spitzen zu unterstützen

• IE2+FU und IE3 sind bei Pumpen als Entwicklungsschritte übersprun-gen worden. Heute drehzahlgesteuerte Permanentmagnetmotoren üblich (typisch IE4); Drehzahlregelung hat bei Pumpen größtes Potenzial, Er-gebnis könnte somit fälschlich auf alle Motoranwendungen übertragen werden.

• Bei anderen Anwendungen oft sehr individuelle Lösungen und/oder Optimierungen: siehe Beispiele, wie vier Lüfter statt eines sehr großen auf Kühlturmanlagen (ähnlich Kaskaden) oder intelligente Ansteuerung bei sich überlagernden Start-Stopp-Abläufen von nicht gekoppelten Ak-tuatoren, um Lastspitzen zu vermeiden


• ZVEI hilft bei Bereitstellung geeigneter Daten für komplexen und einfa-chen Fall (z. B. Rohdaten für Almeida Studie).

• Evtl. können Industrievertreter Daten zu Nutzungsprofilen zur Verfü-gung stellen.

ZVEI stellt Protokoll und Folien für Fachbereichsmitglieder zur Verfügung mit der Möglichkeit, Input zu geben. Dies soll bilateral mit der thinkstep AG erfolgen. Neben Stücklisten/Materialzusammenstellungen von Motoren (v. a. Permanentmagnet basierte Motoren) wäre die Definition geeigneter, „Operation Points“ der Nutzungsphase des „komplexen“ Falls hilfreich.

Anhang 4: Stücklisten 131

ANHANG 4: STÜCKLISTEN

Im Nachgang zu dem Workshop erfolgte eine Datenaufnahme bei vier un-terschiedlichen Quellen, bestehend aus Industrievertretern und Verbänden, die aufgrund von Geheimhaltungsvereinbarungen nicht weiter benannt werden.

Das Szenario „Technologievergleich“ vergleicht asynchrone Elektromoren mit 1,1 kW in drei unterschiedlichen Effizienzklassen, IE2, IE3 und IE4, im Netzbetrieb bei 75 % Last. Die vereinfachten Stücklisten für die drei Elekt-romoren sind in Tabelle 36, Tabelle 37 und Tabelle 38 abgebildet.

Tabelle 36: Vereinfachte Stückliste für das Szenario „Technologievergleich“ (asynchroner Elektromotor mit 1,1 kW, Effizienzklasse IE2)

Effizienzklasse Leistungsklasse Zusammensetzung IE2 1,1 kW Relative Massenanteile an der

Gesamtmasse des Produkts ohne Verpackung

Elektroblech ca. 51,4 % Andere Stahlwerkstoffe ca. 10,8 % Grauguss (Eisen) 0,0 % Aluminium ca. 19,9 % Kupfer ca. 12,8 % Isolationsmaterial ca. 0,6 % Verpackungsmaterial 0,0 % Imprägnierharz ca. 1,0 % Lack/Farbe ca. 0,8 % Andere Materialien ca. 2,8 %

Tabelle 37: Vereinfachte Stückliste für das Szenario „Technologievergleich“ (asynchroner Elektromotor mit 1,1 kW, Effizienzklasse IE3)


Gesamtmasse des Produkts ohne Verpackung

Elektroblech ca. 53,8 % Andere Stahlwerkstoffe ca. 10,2 % Grauguss (Eisen) 0,0 % Aluminium ca. 20,6 % Kupfer ca. 11,0 % Isolationsmaterial ca. 0,6 % Verpackungsmaterial 0,0 % Imprägnierharz ca. 0,8 % Lack/Farbe ca. 0,6 % Andere Materialien 2,3 %

132 Anhang 4: Stücklisten

Tabelle 38: Vereinfachte Stückliste für das Szenario „Technologievergleich“ (asynchroner Elektromotor mit 2,2 kW, Effizienzklasse IE4). Die Werte für die Ökobilanzberechnung wurden auf 1,1kW herunterskaliert.


Gesamtmasse des Produktes ohne Verpackung

Elektroblech ca. 60,2 % Andere Stahlwerkstoffe ca. 9,1 % Grauguss (Eisen) 0,0 % Aluminium ca. 16,6 % Kupfer ca. 10,9 % Isolationsmaterial ca. 0,4 % Verpackungsmaterial 0,0 % Imprägnierharz ca. 0,6 % Lack/Farbe ca. 0,5 % Andere Materialien ca. 1,7 %

Das Szenario „Systemvergleich“ berücksichtigt eine trocken aufgestellte Kreiselpumpe auf einem Fundament in der Leistungsklasse von 18,5 kW im Netzbetrieb in zwei unterschiedlichen Effizienzklassen (IE3-Asynchronmotor mit und ohne Frequenzumrichter vs. IE4-Reluktanzmotor mit Frequenzumrichter (elektromotorisches System mit Effizienzklasse IE5)). Die vereinfachten Stücklisten für die zwei Elektromoren sind in Ta-belle 39 und Tabelle 40 abgebildet.

Tabelle 39: Vereinfachte Stückliste für das Szenario „Systemvergleich“ (asynchroner Elektromotor mit 18,5 kW mit Frequenzumrichter, Effizienzklasse IE3).



Elektroblech ca. 38,5 % Andere Stahlwerkstoffe ca. 10,4 % Grauguss (Eisen) ca. 33,7 % Kupfer ca. 5,5 % Aluminium ca. 1,9 % Isolationsmaterial ca. 0,6 % Permanentmagnet 0,0 % Verpackungsmaterial 0,0 % Frequenzumrichter ca. 9,4 %

Anhang 4: Stücklisten 133

Tabelle 40: Vereinfachte Stückliste für das Szenario „Systemvergleich“ (Reluktanzmotor mit 18,5 kW mit Frequenzumrichter, Effizienzklasse IE4).



Elektroblech ca. 36,4 % Andere Stahlwerkstoffe ca. 10,9 % Grauguss (Eisen) ca. 35,4 % Kupfer ca. 5,3 % Aluminium 0,0 % Isolationsmaterial ca. 0,6 % Permanentmagnet ca. 1,6 % Verpackungsmaterial 0,0 % Frequenzumrichter ca. 9,9 %

134 Anhang 5: Ergebnisse der Ökologischen Berwertung

ANHANG 5: ERGEBNISSE DER ÖKOLOGISCHEN BERWERTUNG

Der Anhang beinhaltet die Ergebnisse und die entsprechenden Abbildun-gen der verbleibenden Indikatoren (kumulierter Energieaufwand, kumu-lierter Rohstoffaufwand, Landflächennutzung und Wasserverbrauch) für die beiden Szenarien „Technologievergleich“ und „Systemvergleich“ (Abbildung 18 bis Abbildung 37).

Ergebnisse für Szenario „Technologievergleich“

Abbildung 18 zeigt den kumulierten Energieaufwand (KEA), aufgeteilt nach den Lebensphasen der Asynchronmotoren IE2, IE3 und IE4. Die Nut-zungsphase stellt hinsichtlich des KEAs bei allen Motoren die dominante Lebensphase im Lebenszyklus dar. Wie in Abbildung 18 zu sehen, nimmt der KEA mit steigender Effizienz ab, da die Energieverbräuche und folglich der Energieaufwand sinken.

568 697 541

90.37773.389

57.572

59 73 61114 143 102

30.812

25.020

19.628

13 16 14

0

20.000

40.000

60.000

80.000

100.000

120.000

140.000

IE2 mit1,1 kW

IE3 mit1,1 kW

IE4 mit1,1 kW

IE2 mit1,1 kW

IE3 mit1,1 kW

IE4 mit1,1 kW

IE2 mit1,1 kW

IE3 mit1,1 kW

IE4 mit1,1 kW


MJ-

eq/FE

KEA, regenerativ

KEA, erschöpflich

Abbildung 18: Kumulierter Energieaufwand (KEA), unterteilt nach Lebensphasen, Szenario „Technologievergleich“

Anhang 5: Ergebnisse der Ökologischen Berwertung 135

17 21 162.489 2.021 1.586

2 2 2

621 685 573

22.328

18.131

14.223

14 17 15

0

5.000

10.000

15.000

20.000

25.000

30.000

IE2 mit1,1 kW

IE3 mit1,1 kW

IE4 mit1,1 kW

IE2 mit1,1 kW

IE3 mit1,1 kW

IE4 mit1,1 kW

IE2 mit1,1 kW

IE3 mit1,1 kW

IE4 mit1,1 kW


kg/FE

Metalle, Mineralien

Energierohstoffe

Abbildung 19: Kumulierter Rohstoffaufwand (KRA), unterteilt nach Lebensphasen, Szenario „Technologievergleich“

3,69 4,62 3,35

529,80

430,22

337,50

0,27 0,34 0,31

0,07 0,09 0,07

0,33

0,27

0,21

0,00 0,00 0,00

0

100

200

300

400

500

600

IE2 mit1,1 kW

IE3 mit1,1 kW

IE4 mit1,1 kW

IE2 mit1,1 kW

IE3 mit1,1 kW

IE4 mit1,1 kW

IE2 mit1,1 kW

IE3 mit1,1 kW

IE4 mit1,1 kW


m²a

/FE

Siedlungsflächen

Landwirtschaftsflächen

Abbildung 20: Flächeninanspruchnahme, unterteilt nach Lebensphasen, Szenario „Technologievergleich“


326 397 304

43.938

35.679

27.990

21 25 210

5.000

10.000

15.000

20.000

25.000

30.000

35.000

40.000

45.000

50.000

IE2 mit1,1 kW

IE3 mit1,1 kW

IE4 mit1,1 kW

IE2 mit1,1 kW

IE3 mit1,1 kW

IE4 mit1,1 kW

IE2 mit1,1 kW

IE3 mit1,1 kW

IE4 mit1,1 kW


kg/FE

Wasserverbrauch

Abbildung 21: Wasserverbrauch, unterteilt nach Lebensphasen, Szenario „Technologievergleich“

Ergebnisse für Szenario „Systemvergleich“ – Anwendungsfall 1

15.06017.690

31.475

22.009

1.328 1.235

2.139

4.154

10.731

7.503

352 335

0

5.000

10.000

15.000

20.000

25.000

30.000

35.000

40.000

45.000

IE3 mit18,5 kW

IE4 mit18,5 kW

IE3 mit18,5 kW

IE4 mit18,5 kW

IE3 mit18,5 kW

IE4 mit18,5 kW


MJ-

eq/FE

KEA, regenerativ

KEA, erschöpflich

Abbildung 22: Kumulierter Energieaufwand (KEA), unterteilt nach Lebensphasen, Szenario „Systemvergleich“, Anwendungsfall 1


490 589867 606 46 43

12.69213.979

7.776

5.437

377 358

0

2.000

4.000

6.000

8.000

10.000

12.000

14.000

16.000

IE3 mit18,5 kW

IE4 mit18,5 kW

IE3 mit18,5 kW

IE4 mit18,5 kW

IE3 mit18,5 kW

IE4 mit18,5 kW


kg/FE

Metalle, Mineralien

Energierohstoffe

Abbildung 23: Kumulierter Rohstoffaufwand (KRA), unterteilt nach Lebensphasen, Szenario „Systemvergleich“, Anwendungsfall 1

60,00 62,82

184,51

129,02

7,89 7,52

1,3123,19

0,12

0,08

0,07 0,06

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

IE3 mit18,5 kW

IE4 mit18,5 kW

IE3 mit18,5 kW

IE4 mit18,5 kW

IE3 mit18,5 kW

IE4 mit18,5 kW


m²a

/FE

Siedlungsflächen


Abbildung 24: Flächeninanspruchnahme, unterteilt nach Lebensphasen, Szenario „Systemvergleich“, Anwendungsfall 1


6.395

30.182

15.302

10.700

466 4300

5.000

10.000

15.000

20.000

25.000

30.000

35.000

IE3 mit18,5 kW

IE4 mit18,5 kW

IE3 mit18,5 kW

IE4 mit18,5 kW

IE3 mit18,5 kW

IE4 mit18,5 kW


kg/FE

Wasserverbrauch

Abbildung 25: Wasserverbrauch, unterteilt nach Lebensphasen, Szenario „Systemvergleich“, Anwendungsfall 1


15.060 17.690

607.768

424.981

1.328 1.235

2.139 4.154

207.204

144.887

352 335

0

100.000

200.000

300.000

400.000

500.000

600.000

700.000

800.000

900.000

IE3 mit18,5 kW

IE4 mit18,5 kW

IE3 mit18,5 kW

IE4 mit18,5 kW

IE3 mit18,5 kW

IE4 mit18,5 kW


MJ-

eq/FE

KEA, regenerativ

KEA, erschöpflich



490 589

16.740 11.70546 43

12.692 13.979

150.148

104.991

377 358

0

20.000

40.000

60.000

80.000

100.000

120.000

140.000

160.000

180.000

IE3 mit18,5 kW

IE4 mit18,5 kW

IE3 mit18,5 kW

IE4 mit18,5 kW

IE3 mit18,5 kW

IE4 mit18,5 kW


kg/FE

Metalle, Mineralien

Energierohstoffe


60,00 62,82

3.562,82

2.491,29

7,89 7,52

1,31 23,19

2,22

1,55

0,07 0,06

0

500

1.000

1.500

2.000

2.500

3.000

3.500

4.000

IE3 mit18,5 kW

IE4 mit18,5 kW

IE3 mit18,5 kW

IE4 mit18,5 kW

IE3 mit18,5 kW

IE4 mit18,5 kW


m²a

/FE

Siedlungsflächen




6.395

30.182

295.475

206.610

466 4300

50.000

100.000

150.000

200.000

250.000

300.000

350.000

IE3 mit18,5 kW

IE4 mit18,5 kW

IE3 mit18,5 kW

IE4 mit18,5 kW

IE3 mit18,5 kW

IE4 mit18,5 kW


kg/FE

Wasserverbrauch



15.060 17.690

690.960

483.152

1.328 1.235

2.139 4.154

235.566

164.719

352 335

0

100.000

200.000

300.000

400.000

500.000

600.000

700.000

800.000

900.000

1.000.000

IE3 mit18,5 kW

IE4 mit18,5 kW

IE3 mit18,5 kW

IE4 mit18,5 kW

IE3 mit18,5 kW

IE4 mit18,5 kW


MJ-

eq/FE

KEA, regenerativ

KEA, erschöpflich



490 589

19.031 13.30746 43

12.692 13.979

170.701

119.362

377 358

0

20.000

40.000

60.000

80.000

100.000

120.000

140.000

160.000

180.000

200.000

IE3 mit18,5 kW

IE4 mit18,5 kW

IE3 mit18,5 kW

IE4 mit18,5 kW

IE3 mit18,5 kW

IE4 mit18,5 kW


kg/FE

Metalle, Mineralien

Energierohstoffe


60,00 62,82

4.050,50

2.832,30

7,89 7,52

1,31 23,19

2,53

1,77

0,07 0,06

0

500

1.000

1.500

2.000

2.500

3.000

3.500

4.000

4.500

IE3 mit18,5 kW

IE4 mit18,5 kW

IE3 mit18,5 kW

IE4 mit18,5 kW

IE3 mit18,5 kW

IE4 mit18,5 kW


m²a

/FE

Siedlungsflächen




6.39530.182

335.919

234.891

466 4300

50.000

100.000

150.000

200.000

250.000

300.000

350.000

400.000

IE3 mit18,5 kW

IE4 mit18,5 kW

IE3 mit18,5 kW

IE4 mit18,5 kW

IE3 mit18,5 kW

IE4 mit18,5 kW


kg/FE

Wasserverbrauch



15.060 8.632

690.960

544.570

1.328 1.174

2.139 1.182

235.566

185.658

352 336

0

100.000

200.000

300.000

400.000

500.000

600.000

700.000

800.000

900.000

1.000.000








MJ-

eq/FE

KEA, regenerativ

KEA, erschöpflich



490 307

19.031 14.999 46 42

12.692 8.245

170.701

134.535

377 360

0

20.000

40.000

60.000

80.000

100.000

120.000

140.000

160.000

180.000

200.000








kg/FE

Metalle, Mineralien

Energierohstoffe


60,00 33,49

4.050,50

3.192,34

7,89 7,64

1,31 0,95

2,53

1,99

0,07 0,07

0

500

1.000

1.500

2.000

2.500

3.000

3.500

4.000

4.500








m²a

/FE

Siedlungsflächen




6.395 3.064

335.919

264.750

466 3850

50.000

100.000

150.000

200.000

250.000

300.000

350.000

400.000








kg/FE

Wasserverbrauch


Anhang 6: Landnutzung in Ökobilanzen mit LANCA® 145

ANHANG 6: LANDNUTZUNG IN ÖKOBILANZEN MIT LANCA®

Landnutzung in Ökobilanzen

Ungefähr die Hälfte der globalen Landfläche ist vom Menschen stark beein-flusst. Täglich gehen zwischen 5.000 und 15.000 Hektar natürliche Land-flächen weltweit aufgrund anthropogener Nutzung verloren, in Deutsch-land werden täglich ca. 77 Hektar (mehr als 100 Fußballfelder) versiegelt. Sowohl die Versiegelung von Flächen durch Bebauung als auch deren land- und forstwirtschaftliche, infrastrukturelle und industrielle Nutzung führen zu einer Veränderung der natürlichen Bodenfunktionen und damit der ursprünglich bereitgestellten Ökosystemleistungen. Bei der Beurteilung von durch menschliche Aktivitäten verursachten Prozessen sind die Aus-wirkungen von Landnutzung auf die Bodenfunktionen daher zu berück-sichtigen. Etablierte Methoden und Werkzeuge wie die Ökobilanz, welche die Umweltwirkungen von Produkten, Prozessen oder Dienstleistungen ganzheitlich untersuchen, müssen somit um Aspekte der Flächeninan-spruchnahme erweitert werden.

LANCA®

An der Universität Stuttgart, Institut für Akustik und Bauphysik, Abteilung Ganzheitliche Bilanzierung, wurde die Methode LANCA® (Land Use Indica-tor Value Calculation in Life Cycle Assessment) entwickelt und operationa-lisiert. Mittels dieser Methode sind für folgende Wirkungskategorien län-der- und landnutzungsspezifische Charakterisierungsfaktoren berechnet worden:

• Erosionswiderstand: beschreibt das Leistungsvermögen des Naturrau-mes, den über die natürlich auftretende Erosion hinausgehenden Boden-abtrag zu verhindern.

• Mechanische Filtration: Fähigkeit eines Bodens, eine Suspension durch die mechanische Bindung von Schadstoffen an Bodenpartikel zu filtern.

146 Anhang 6: Landnutzung in Ökobilanzen mit LANCA®

• Physikochemische Filtration: Fähigkeit eines Bodens, gelöste Sub-stanzen aus der Bodenlösung zu binden und damit am Eindringen ins Grundwasser zu hindern.

• Grundwasserneubildung: Fähigkeit eines Bodens, zur Grundwasser-neubildung beizutragen.

• Biotische Produktion: Fähigkeit eines Ökosystems zur Biomassepro-duktion, Nutzung der Nettoprimärproduktion.

LANCA® in GaBi ts

Im Software- und Datenbanksystem GaBi ts sind die ELCD-Elementarflüsse für die Landnutzung (z. B. Ackerland, intensiv oder Wald, ursprünglich oder Abbaustätte) integriert und Charakterisierungsfaktoren für die LANCA®-Indikatoren bereitgestellt. Ein umfassender Überblick über die LANCA®-Methode findet sich hier:

http://ibp-gabi.de/index.php?article_id=90&clang=1

Es werden die Okkupation (Flächenbelegung) und Transformation (Flä-chenumwandlung) unterschieden. Dazu werden die Flüsse „Okkupation“ [m² * a], „Transformation von“ [m²] und „Transformation zu“ [m²] länder-spezifisch und landnutzungsspezifisch im Inventar genutzt und in der Wirkungsabschätzung charakterisiert.

Im Vordergrundsystem gibt der Nutzer in das Inventar im Input die spezi-fischen Landnutzungsflüsse, die für einen bestimmten Prozess in [m² * a] belegt sind, ein. In den Hintergrundprozessen sind diese landnutzungsspe-zifischen Informationen für Agrar-, Forst- und Abbauprozesse integriert.

Okkupation

Bei der Okkupation wird die Ökosystemqualität der tatsächlichen Nutzung, wie beispielsweise Abbaustätte oder Ackerland, mit der Ökosystemqualität der Referenzsituation, hier der potentiell natürlichen Vegetation, vergli-chen. Für alle Landnutzungsauswirkungen der Okkupation ist das Bild sehr einheitlich und ähnelt den Ergebnissen der klassischen Umweltwirkungen wie Klimaänderung, Versauerung, Nährstoffeintrag. Die Umweltwirkungen

http://ibp-gabi.de/index.php?article_id=90&clang=1


sind direkt von der spezifischen Nutzung wie Kohle- oder Erzabbau sowie Biomasseanbau abhängig.

Transformation

Die Umweltwirkungen der Transformation berechnen sich aus dem Unter-schied der Ökosystemqualität vor der spezifischen Nutzung und der Öko-systemqualität nach der Regeneration der genutzten Fläche. Somit sind die Umweltwirkungen von der spezifischen Regeneration der genutzten Flä-chen abhängig und führen zu einem weitaus inhomogeneren Bild als bei den Landnutzungswirkungen der Okkupation.

Ergebnisse der Landnutzungswirkungen mit LANCA®

Abbildung 38 und Tabelle 41 zeigen die Landnutzungswirkungen des Sze-narios „Technologievergleich“ für die Motoren IE2, IE3 und IE4 für die Phase der Transformation, d. h. der Flächenumwandlung. Die Umweltlasten des IE2-Asynchronmotors stellen 100 % der Lasten dar, die anderen beiden Motoren beziehen sich in ihren Lasten auf den IE2-Asynchronmotor. Im Gegensatz zu der Okkupation ist das Ergebnis nicht für alle Wirkungskate-gorien ähnlich zu beschreiben. Die Lasten in den Umweltwirkungskatego-rien Erosionswiderstand, mechanische und physikochemische Filtration sind, wie bei der Okkupation, von der Nutzungsphase dominiert und die-nen hier der Strombereitstellung, versursacht durch Kohleabbau. Der IE2-Asynchronmotor weist die höchsten Lasten, bedingt durch den größten Strombedarf, auf, gefolgt vom IE3- und IE4-Asynchronmotor. Es können negative Werte wie beim Erosionswiderstand auftreten. Hier werden Flä-chen in einen höheren ökologischen Zustand nach Regeneration der Flä-chen im Vergleich zum Zustand vor der Nutzung gebracht. Dies tritt ein, wenn z. B. beim Abbau von Erzen nach Beendigung des Abbaus und der Renaturierung eine höherwertige ökologische Fläche entstanden ist als vor dem Abbau. Bei der biotischen Produktion entstehen die Landnutzungs-wirkungen ebenfalls hauptsächlich in der Nutzungsphase, bedingt durch die Strombereitstellung. Weiterhin trägt der Kupferabbau in der Herstel-lungsphase sichtbar zur biotischen Produktion bei. Bei der Grundwasser-neubildung sind die Lasten für den IE3-Asynchronmotor am höchsten, gefolgt vom IE2- und IE4-Asynchronmotor, der am wenigsten Lasten auf-weist. Hier sind die Lasten direkt von der genutzten Bauxitmenge in der


Herstellungsphase abhängig: Für den IE3-Asynchronmotor wird am meis-ten Bauxit verwendet, für den IE4-Asynchronmotor am wenigsten. Parallel dazu lassen sich die Lasten in der Umweltwirkungskategorie Grundwas-serneubildung erklären.

Tabelle 41: Landnutzungswirkungen Transformation, Szenario „Technologievergleich“

Transformation Lebenszyklusphase Kriterium Herstellung Nutzung Recycling

Biotische Produktion [kg]

IE2 mit 1,1kW 14 % 86 % 0,03 %

IE3 mit 1,1kW 17 % 70 % 0,03 %

IE4 mit 1,1kW 14 % 55 % 0,03 %

Erosions- widerstand [kg]

IE2 mit 1,1kW -2 % 102 % 0,03 %

IE3 mit 1,1kW -3 % 83 % 0,04 %

IE4 mit 1,1kW -2 % 65 % 0,03 %

Grundwasser- neubildung [m³]

IE2 mit 1,1kW 104 % -4 % 0 %

IE3 mit 1,1kW 132 % -3 % 0 %

IE4 mit 1,1kW 91 % -3 % 0 %

Mechanische Filtration [m³]

IE2 mit 1,1kW 0 % 100 % 0,03 %

IE3 mit 1,1kW 1 % 80 % 0,04 %

IE4 mit 1,1kW 0 % 64 % 0,03 %

Physikochemische Filtration [mol*a]

IE2 mit 1,1kW 1 % 99 % 0,03 %

IE3 mit 1,1kW 1 % 80 % 0,04 %

IE4 mit 1,1kW 0 % 63 % 0,03 %


-20%

0%

20%

40%

60%

80%

100%

120%

140%

IE2 mit1,1 kW

IE3 mit1,1 kW

IE4 mit1,1 kW

IE2 mit1,1 kW

IE3 mit1,1 kW

IE4 mit1,1 kW

IE2 mit1,1 kW

IE3 mit1,1 kW

IE4 mit1,1 kW

IE2 mit1,1 kW

IE3 mit1,1 kW

IE4 mit1,1 kW

IE2 mit1,1 kW

IE3 mit1,1 kW

IE4 mit1,1 kW

BiotischeProduktion [kg/a]

Erosions-widerstand [kg/a]

Grundwasser-neubildung [m³/a]

MechanischeFiltration [m³/a]

PhysikochemischeFiltration [mol]


Abbildung 38: Landnutzungswirkungen Transformation, Szenario „Technologievergleich“

Tabelle 42: Landnutzungswirkungen Okkupation, Szenario „Technologievergleich“

Okkupation Lebenszyklusphase Kriterium Herstellung Nutzung Recycling


IE2 mit 1,1 kW 0,7 % 99 % 0,03 % IE3 mit 1,1 kW 0,9 % 81 % 0,04 % IE4 mit 1,1 kW 0,7 % 63 % 0,03 %










0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

IE2 mit1,1 kW

IE3 mit1,1 kW

IE4 mit1,1 kW

IE2 mit1,1 kW

IE3 mit1,1 kW

IE4 mit1,1 kW

IE2 mit1,1 kW

IE3 mit1,1 kW

IE4 mit1,1 kW

IE2 mit1,1 kW

IE3 mit1,1 kW

IE4 mit1,1 kW

IE2 mit1,1 kW

IE3 mit1,1 kW

IE4 mit1,1 kW







Abbildung 39: Landnutzungswirkungen Okkupation, Szenario „Technologievergleich“

Die folgenden Tabellen und dazugehörigen Abbildungen zeigen die Land-nutzungswirkungen des Szenarios „Systemvergleich“ für die Anwendungs-fälle 1 bis 4. Die Umweltlasten des IE3-Asynchronmotors stellen in jeder Umweltwirkungskategorie 100 % der Lasten dar. Es wird deutlich, dass die Unterschiede in den einzelnen Landnutzungskategorien sehr hoch sein können. Besonders hoch fallen die Unterschiede vom IE3-Asynchronmotor und IE4-Reluktanzmotor bei der mechanischen Filtration und etwas abge-schwächt in der physikochemischen Filtration aus. Dominiert werden die Ergebnisse von der Herstellungsphase und hier dem Herstellungsprozess des „Magnets Nd-Fe-Dy-B“. Bei dem IE3-Asynchronmotor gibt es keinen Magneten und somit deutlich geringere Landnutzungswirkungen. Auf-grund der spezifischen bodengeografischen und klimatischen Bedingungen am Abbauort der Erze und Mineralien für den Magneten treten hohe Wir-kungen in den Kategorien mechanische und physikochemische Filtration auf.

Das Beispiel zeigt, dass die Landnutzungswirkungskategorien teilweise andere Ergebnisse hervorbringen wie beispielsweise die Kategorien Klima-änderung, Versauerung oder Nährstoffeintrag.


Tabelle 43: Landnutzungswirkungen Transformation, Szenario „Systemvergleich“, Anwendungsfall 1



IE3 mit 18,5 kW 90,48 % 9,33 % 0,19 %

IE4 mit 18,5 kW 394,44 % 6,52 % 0,18 %


IE3 mit 18,5 kW -840,80 % 921,92 % 18,88 %

IE4 mit 18,5 kW 2.795,38 % 644,65 % 17,71 %


IE3 mit 18,5 kW 100,14 % -0,14 % 0,00 %

IE4 mit 18,5 kW 31,97 % -0,10 % 0,00 %


IE3 mit 18,5 kW 22,64 % 75,81 % 1,55 %

IE4 mit 18,5 kW 79.100,65 % 53,01 % 1,46 %


IE3 mit 18,5 kW 26,61 % 71,92 % 1,47 %

IE4 mit 18,5 kW 18.350,79 % 50,29 % 1,38 %

-10000%

0%

10000%

20000%

30000%

40000%

50000%

60000%

70000%

80000%

90000%

IE3 mit18,5 kW

IE4 mit18,5 kW

IE3 mit18,5 kW

IE4 mit18,5 kW

IE3 mit18,5 kW

IE4 mit18,5 kW

IE3 mit18,5 kW

IE4 mit18,5 kW

IE3 mit18,5 kW

IE4 mit18,5 kW







Abbildung 40: Landnutzungswirkungen Transformation, Szenario „Systemvergleich“, Anwendungsfall 1


Tabelle 44: Landnutzungswirkungen Okkupation, Szenario „Systemvergleich“, Anwendungsfall 1



IE3 mit 18,5 kW 24,9 % 73,6 % 1,5 %

IE4 mit 18,5 kW 48,4 % 51,5 % 1,4 %


IE3 mit 18,5 kW 30,4 % 68,2 % 1,4 %

IE4 mit 18,5 kW 61,7 % 47,7 % 1,3 %


IE3 mit 18,5 kW 26,1 % 72,4 % 1,5 %

IE4 mit 18,5 kW 37,2 % 50,6 % 1,4 %


IE3 mit 18,5 kW 27,6 % 70,9 % 1,5 %

IE4 mit 18,5 kW 142,4 % 49,6 % 1,4 %


IE3 mit 18,5 kW 25,6 % 72,9 % 1,5 %

IE4 mit 18,5 kW 55,4 % 51,0 % 1,4 %

0%

20%

40%

60%

80%

100%

120%

140%

160%

180%

200%

220%

IE3 mit18,5 kW

IE4 mit18,5 kW

IE3 mit18,5 kW

IE4 mit18,5 kW

IE3 mit18,5 kW

IE4 mit18,5 kW

IE3 mit18,5 kW

IE4 mit18,5 kW

IE3 mit18,5 kW

IE4 mit18,5 kW







Abbildung 41: Landnutzungswirkungen Okkupation, Szenario „Systemvergleich“, Anwendungsfall 1





IE3 mit 18,5 kW 33,41 % 66,52 % 0,07 %

IE4 mit 18,5 kW 145,65 % 46,51 % 0,07 %


IE3 mit 18,5 kW -4,95 % 104,84 % 0,11 %

IE4 mit 18,5 kW 16,46 % 73,31 % 0,10 %


IE3 mit 18,5 kW 102,80 % -2,79 % 0,00 %

IE4 mit 18,5 kW 32,81 % -1,95 % 0,00 %


IE3 mit 18,5 kW 1,52 % 98,37 % 0,10 %

IE4 mit 18,5 kW 5.316,09 % 68,79 % 0,10 %


IE3 mit 18,5 kW 1,88 % 98,02 % 0,10 %

IE4 mit 18,5 kW 1.295,27 % 68,54 % 0,10 %

-1000%

0%

1000%

2000%

3000%

4000%

5000%

6000%

IE3 mit18,5 kW

IE4 mit18,5 kW

IE3 mit18,5 kW

IE4 mit18,5 kW

IE3 mit18,5 kW

IE4 mit18,5 kW

IE3 mit18,5 kW

IE4 mit18,5 kW

IE3 mit18,5 kW

IE4 mit18,5 kW












IE3 mit 18,5 kW 1,72 % 98,18 % 0,10 %

IE4 mit 18,5 kW 3,34 % 68,65 % 0,10 %


IE3 mit 18,5 kW 2,25 % 97,64 % 0,10 %

IE4 mit 18,5 kW 4,58 % 68,28 % 0,10 %


IE3 mit 18,5 kW 1,83 % 98,07 % 0,10 %

IE4 mit 18,5 kW 2,61 % 68,57 % 0,10 %


IE3 mit 18,5 kW 1,98 % 97,92 % 0,10 %

IE4 mit 18,5 kW 10,18 % 68,47 % 0,10 %


IE3 mit 18,5 kW 1,78 % 98,11 % 0,10 %

IE4 mit 18,5 kW 3,86 % 68,61 % 0,10 %

0%

20%

40%

60%

80%

100%

120%

IE3 mit18,5 kW

IE4 mit18,5 kW

IE3 mit18,5 kW

IE4 mit18,5 kW

IE3 mit18,5 kW

IE4 mit18,5 kW

IE3 mit18,5 kW

IE4 mit18,5 kW

IE3 mit18,5 kW

IE4 mit18,5 kW












IE3 mit 18,5 kW 30,62 % 69,31 % 0,06 %

IE4 mit 18,5 kW 133,50 % 48,47 % 0,06 %


IE3 mit 18,5 kW -4,33 % 104,23 % 0,10 %

IE4 mit 18,5 kW 14,40 % 72,88 % 0,09 %


IE3 mit 18,5 kW 103,19 % -3,19 % 0,00 %

IE4 mit 18,5 kW 32,94 % -2,23 % 0,00 %


IE3 mit 18,5 kW 1,34 % 98,57 % 0,09 %

IE4 mit 18,5 kW 4.685,21 % 68,92 % 0,09 %


IE3 mit 18,5 kW 1,66 % 98,25 % 0,09 %

IE4 mit 18,5 kW 1.142,04 % 68,70 % 0,09 %

-1000%

0%

1000%

2000%

3000%

4000%

5000%

IE3 mit18,5 kW

IE4 mit18,5 kW

IE3 mit18,5 kW

IE4 mit18,5 kW

IE3 mit18,5 kW

IE4 mit18,5 kW

IE3 mit18,5 kW

IE4 mit18,5 kW

IE3 mit18,5 kW

IE4 mit18,5 kW












IE3 mit 18,5 kW 1,51 % 98,40 % 0,09 %

IE4 mit 18,5 kW 2,94 % 68,80 % 0,09 %


IE3 mit 18,5 kW 1,99 % 97,92 % 0,09 %

IE4 mit 18,5 kW 4,04 % 68,47 % 0,09 %


IE3 mit 18,5 kW 1,61 % 98,30 % 0,09 %

IE4 mit 18,5 kW 2,30 % 68,73 % 0,09 %


IE3 mit 18,5 kW 1,74 % 98,17 % 0,09 %

IE4 mit 18,5 kW 8,98 % 68,64 % 0,09 %


IE3 mit 18,5 kW 1,57 % 98,34 % 0,09 %

IE4 mit 18,5 kW 3,40 % 68,76 % 0,09 %

0%

20%

40%

60%

80%

100%

120%

IE3 mit18,5 kW

IE4 mit18,5 kW

IE3 mit18,5 kW

IE4 mit18,5 kW

IE3 mit18,5 kW

IE4 mit18,5 kW

IE3 mit18,5 kW

IE4 mit18,5 kW

IE3 mit18,5 kW

IE4 mit18,5 kW












IE3 mit 18,5 kW mit FU 23,65 % 76,29 % 0,06 %

IE3 mit 18,5 kW ohne FU 127,19 % 46,18 % 0,06 %


IE3 mit 18,5 kW mit FU -0,07 % 100,00 % 0,07 %

IE3 mit 18,5 kW ohne FU 11,96 % 60,52 % 0,08 %


IE3 mit 18,5 kW mit FU 115,27 % -15,26 % -0,01 %

IE3 mit 18,5 kW ohne FU 136,49 % -9,24 % -0,01 %


IE3 mit 18,5 kW mit FU 0,77 % 99,16 % 0,07 %

IE3 mit 18,5 kW ohne FU 4079,87 % 60,02 % 0,08 %


IE3 mit 18,5 kW mit FU 0,97 % 98,95 % 0,07 %

IE3 mit 18,5 kW ohne FU 995,60 % 59,89 % 0,07 %

-500%

0%

500%

1000%

1500%

2000%

2500%

3000%

3500%

4000%

4500%

IE3,18,5 kWmit FU

IE3,18,5 kWohne FU

IE3,18,5 kWmit FU

IE3,18,5 kWohne FU

IE3,18,5 kWmit FU

IE3,18,5 kWohne FU

IE3,18,5 kWmit FU

IE3,18,5 kWohne FU

IE3,18,5 kWmit FU

IE3,18,5 kWohne FU












IE3 mit 18,5 kW mit FU

0,77 % 99,16 % 0,07 %

IE3 mit 18,5 kW ohne FU

2,57 % 60,02 % 0,08 %



1,10 % 98,83 % 0,07 %


3,53 % 59,82 % 0,07 %



0,90 % 99,02 % 0,07 %


2,00 % 59,94 % 0,08 %



0,78 % 99,15 % 0,07 %


7,85 % 60,01 % 0,08 %



0,78 % 99,14 % 0,07 %


2,97 % 60,01 % 0,08 %

0%

20%

40%

60%

80%

100%

120%

IE3,18,5 kWmit FU

IE3,18,5 kWohne FU

IE3,18,5 kWmit FU

IE3,18,5 kWohne FU

IE3,18,5 kWmit FU

IE3,18,5 kWohne FU

IE3,18,5 kWmit FU

IE3,18,5 kWohne FU

IE3,18,5 kWmit FU

IE3,18,5 kWohne FU








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