Hoe evolueren elektromotoren in functie van energie-efficiëntie?

Geen wonder dat de Europese richtlijnen omtrent ecodesign ook elektromotoren viseren. Vanaf juli zal er weer een tandje bijgestoken moeten worden op vlak van energie-efficiëntie. Maar hoe krijgen de fabrikanten dat telkens weer klaar gespeeld?

Motoren vinden we overal in terug. Van ventilatoren tot werktuigmachines, van pompen tot auto’s. Ze zijn het kloppend hart dat elke machine van de nodige energie voorziet. De evoluties die elektromotoren ondergingen sinds de allereerste uit 1824 door Moritz Hermann von Jacobi, hebben telkens te maken met een stijgende vraag naar vermogen, betaalbaarheid, energie-efficiëntie en connectiviteit. Vandaag ligt de uitdaging vooral in de verbetering van het rendement en de vermindering van de impact die elektromotoren hebben op de elektriciteitsvoorziening en dus op de opwarming van het klimaat. Eindgebruikers hoeven daar niet alleen in te investeren om het milieu te vrijwaren of omdat Europa het verplicht, maar ook voor de eigen geldbeugel. Wie alle kosten van een elektromotor gedurende zijn hele levensduur op een rijtje zet, zal zijn dat de energiekosten 95% tot 97% uitmaken. Reden genoeg dus om energie-efficiënte motoren te zien als de slimme investering.

De energie-efficiëntie van een elektromotor wordt berekend als de verhouding tussen het mechanische uitgangsvermogen en het opgenomen vermogen. Europa brengt ze op basis van die prestaties onder in energie-efficiëntieklasses van IE1 (laagste) tot IE5 (hoogste). Door die energie-efficiëntieklasses ook op een gefaseerde manier bindend te maken voor de industrie sinds 2012 zijn er al enorme stappen gezet in de terugdringing van het energieverbruik van motoren. Want de industrie houdt er wel degelijk rekening mee. In 2009 waren IE1 motoren nog goed voor 80% van de Europese markt. In 2016 was dat aandeel al geslonken tot 17%, terwijl de energiezuinigere IE3-motoren in die periode van 0% naar 29% gingen. Met ingang van 1 juli 2021 moeten asynchrone motoren nu voldoen aan de IE3-normen. Dan worden voor het eerst ook efficiëntievoorschriften geïntroduceerd voor frequentieregelaars. 

Maar hoe krijgen fabrikanten dat nu klaargespeeld? Hoe maken ze hun motoren energievriendelijker? Het uitgangspunt is steeds op zoek te gaan naar waar de verliezen zich voordoen. De verbeteringen om energieverliezen tegen te gaan hebben onder meer betrekking op gewichtsvermindering en experimenten met nieuwe materialen zoals kunststoffen, aluminium en nieuwe isolatoren om nieuwe gebruiksmogelijkheden te creëren. Een voorbeeld hiervan is de introductie van de permanentemagneet-motoren. Deze AC-motoren hebben magneten ingebed of aangebracht op de rotor van de motor. Door deze toevoeging en het samenspel van de magnetische velden van de magneten en van de stator, zal de reluctantie dalen. Het resultaat is een constant koppel, zonder behoefte aan geforceerde ventilatie. IE4 motoren van dit type kunnen efficiënter zijn dan de klassieke inductiemotoren in dezelfde klasse. Er gaat 20% minder energie verloren, ze wegen minder en ze gaan langer mee. driemaal winst dus. In combinatie met een frequentieregelaar kunnen ze bovendien nog meer energie besparen (tot 80%) en tegelijk voldoen aan IE5. De hoge energiedichtheid van permanente magneten leent zich overigens ook uitstekend voor gebruik in elektrische voertuigen.

Het pad tot aan IE5 lijkt dus al uitgestippeld. Maar wat mogen we erna verwachten? De verwachte IE6 norm zal waarschijnlijk spreken over een grotere efficiëntie in permanentemagneet-motoren en synchroon-reluctantiemotoren. Om hier stappen in te zetten kan onder meer gekeken worden naar nieuwe isolatiesystemen om problemen te voorkomen in verband met ammoniak (materiaalcorrosie). Daarnaast wordt onderzocht hoe polymeren zich precies gedragen in elektromotoren. Metalen onderdelen zijn niet altijd even goed bestand tegen de mechanische krachten drie vrijkomen in motoren. Polymeren kunnen dan al een alternatief zijn door hun unieke eigenschappen. Want wanneer de onderdelen niet langer kwetsbaar zijn voor vervorming, kunnen ze lichter uitgevoerd worden en dus gewicht en energie besparen. Polymeren worden trouwens al toegepast in componenten zoals eindkappen en poten voor kleine motoren. Men kan dan ook kijken naar een optimale afstemming met andere motoronderdelen op basis van polymeren voor een verbeterd motorontwerp. Huishoudelijke apparaten genieten al van de voordelen van motoren op polymeerbasis.

Maar naast deze mechanische evoluties, profiteren fabrikanten ook van elektronica om hun motoren energiezuiniger te maken. Denk bijvoorbeeld aan sensoren die in real-time meten hoe de motor zich gedraagt. Ze kunnen trillingen en veranderingen in de temperatuur opsporen die hun impact hebben op hoeveel energie de motor zal verbruiken. Neem nu trillingen. Dat zijn in feite niets meer of minder dan ongewenste bewegingen of geluid en staan dus gelijk aan energieverspilling. Wanneer het trillings­niveau de toegestane drempels overschrijdt, kan dit het begin zijn van een defect dat zich manifesteert. Door het tijdig op te lossen wordt er geen extra energie verbruikt, maar vermijdt men ook verlies van kostbare productietijd en de energiepiek die gepaard gaat met het opnieuw opstarten van de machine. Moderne IoT-snufjes kunnen wat dat betreft nog veel besparingen opleveren.

Elektromotoren zijn al meer dan 200 jaar in ontwikkeling. Ingenieurs zullen moeten blijven sleutelen aan het ontwerp en het gebruik, zodat de elektromotor ook de komende decennia kan blijven voldoen aan de veranderende eisen van de moderne maatschappij.