Grüne Ventilatoren

Die 2005 von der EU verabschiedete EuP-Richtlinie (Energy using products-Directive), die 2009 in ErP-Richtlinie (Energy related Products-Directive) umbenannt wurde und in Deutschland auch unter der Bezeichnung Ökodesign-Richtlinie bekannt ist, hat auch Auswirkungen auf die Kälte-/Klimabranche: Im Juni 2010 wurden für Ventilatoren verbindliche Grenzwerte festgelegt. Im Gespräch mit der KKA-Redaktion erläutern Uwe Sigloch (Leiter Market Management Lüftungs- und Klimatechnik) und Dr. Bruno Lindl (Geschäftsführer Forschung und Entwicklung) von ebm-papst Mulfingen die Hintergründe der Richtlinie sowie die Auswirkungen für die Branche und das eigene Unternehmen.

„Elektrische Energie ist eine edle Energieform und mit dieser Energie müssen wir zum Wohl unserer Umwelt sorgfältig umgehen. Doch egal, wie diese elektrische Energie letztendlich erzeugt wird, die beste Energiequelle ist die eingesparte Energie. Wer jedoch Energie einsparen und den gewünschten Umweltschutz umsetzen will, benötigt dazu ausgefeilte Technik.“ Diese Aussage von Dr. Bruno Lindl, der bei ebm-papst Mulfingen (www.ebmpapst.com) den Bereich der Forschung  und Entwicklung verantwortet, verdeutlicht die Marschrichtung, für die sich ebm-papst im Einklang mit den gesetzlichen Vorgaben entschieden hat.

Um die eigene Einstellung, Bemühungen und Leistungen zum Thema Umweltschutz zu verdeutlichen, hat ebm-papst eigens das „GreenTech“-Label eingeführt. Dabei handelt es sich jedoch nicht nur um ein grünes Deckmäntelchen, mit dem sich derzeit viele Firmen schmücken, weil halt „grün“ en vogue ist. Mit „GreenTech“ folgt der Ventilatorenhersteller aus Mulfingen seiner strikten Überzeugung, dass neue Produkte von der Entwicklung, über Produktion und Auslieferung sowie natürlich im Einsatz unter ökologischen und ökonomischen Gesichtspunkten die Vorgängermodelle deutlich übertreffen müssen. Wichtig hierbei: Ökologie und Ökonomie sind keine Gegenpole, sondern bedingen einander, denn wer einen umweltfreundlichen, sprich energieeffizienten Ventilator fertigt und dabei auch noch den Produktionsprozess optimiert, sorgt damit sowohl beim Kunden als auch im herstellenden Unternehmen selbst für geringere Kosten. Intelligente Produkte tragen nämlich dazu bei Energie zu sparen, die Umwelt zu schonen und bei einem Austausch von Altgeräten sorgen sie durch kurze Amortisationszeiten schnell dafür, dass Kunden bares Geld sparen.

„Grüner Gedanke“ wird gelebt | Ein paar Beispiele sollen verdeutlichen, wie der „GreenTech“-Gedanke bei ebm-papst gelebt wird.

Werk Hollenbach:

Schon in der Produktion gibt es zahlreiche Stellschrauben, um die negativen Einflüsse auf die Umwelt zu reduzieren. Ein Paradebeispiel hierfür ist das 2007 errichtete und mit dem „Energy Efficiency Award“ ausgezeichnete ebm-papst-Werk in Hollenbach (siehe Beitrag „Zukunftsfähig in allen Belangen“, www.kka-online.info, Archiv Ausgabe 5/2009), das die derzeitigen Anforderungen der EnEV an Nichtwohngebäude um 65 % unterschreitet. In dem Werk wird z.B. die Abwärme aus der Produktion zur Beheizung anderer Gebäudeteile genutzt, nicht benötigte Abwärmeenergie wird in einem als Wärmespeicher fungierenden Löschwasserbassin zwischengespeichert, es kommen ausschließlich energiesparende EC-Ventilatoren zum Einsatz und das Dach der Halle ziert eine Photovoltaikhalle.

Kunststoff statt Aluminium:

Ein weiterer umweltschonender Aspekt ist die Werkstoffwahl der neuen „HyBlade“-Ventilatoren, bei deren Formwahl die Bionik Pate stand. Statt wie früher üblich komplett auf das Material Aluminium zu setzen, kommt nun zum Großteil Polypropylen zum Einsatz – nur im besonders belasteten Bereich nahe der Nabe wird nach wie vor auf ein Aluminium-Inlet gesetzt, das mit glasfaserverstärktem Kunststoff umspritzt wird. Der Vorteil für die Umwelt hierbei? Zur Herstellung von Primäraluminium benötigt man pro Kilogramm eine Energie von 200 MJ, für Polypropylen hingegen nur 50 MJ/kg. Bei der großen Zahl gefertigter Ventilatoren spart ebm-papst durch den Verzicht auf Voll-Alu-Schaufeln beachtliche Energiemengen ein: Für die Produktion von 100 000 „HyBlade“-Ventilatoren beträgt die Einsparung 9000 Megawattstunden – dies entspricht dem Stromverbrauch von ca. 3000 Haushalten. Die Energieeinsparung durch den späteren Einsatz der Ventilatoren ist dabei noch gar nicht berücksichtigt. Damit wird die Aussage von Dr. Bruno Lindl, dass man nur durch ausgefeilte Technik (und das entsprechende entwicklungstechnische Know-how) Umweltschutz erzielen kann, eindrucksvoll bestätigt.

Verzicht auf Seltene Erden:

Auch der Einsatz von Außenläufermotoren, den ebm-papst forciert, hat direkte Auswirkungen auf die Umwelt. So kann bei der Außenläufer-Motortechnik auf die Verwendung von so genannten Seltenen Erden im Magnetmaterial verzichtet werden (Zu den Metallen der Seltenen Erden gehören die chemischen Elemente der 3. Gruppe des Periodensystems (mit Ausnahme des Actiniums) und die Lanthanoide. Die Ähnlichkeit der chemischen Eigenschaften der Seltenerd-Metalle macht ihre Trennung aufwändig, energieintensiv und kostspielig.) Statt der Seltenen Erden verwendet ebm-papst Hartferrite, die mit deutlich geringerem Energieaufwand hergestellt werden können. 

Wirkungsgrad verbessert:

Ökologische und ökonomische Vorteile bringen auch die neuen „RadiCal“-Radialventilatoren mit sich. Bei der Entwicklung ist ebm-papst in der Forschungs- und Entwicklungsabteilung in einem aufwändigen Prozess in „die Tiefen der Strömungstechnik eingedrungen“, wie Dr. Bruno Lindl ausführt. Das Resultat: Es ist gelungen, den strömungstechnischen Wirkungsgrad bei Radialventilatoren deutlich zu optimieren, so dass er laut Dr. Lindl im Vergleich zu Wettbewerbsprodukten 40 % weniger Energie verbraucht.

Ganzheitliche Betrachtung:

Das größte Potential zum Sparen sehen Dr. Lindl und Uwe Sigloch jedoch in der ganzheitlichen Betrachtung des gesamten Systems beim Kunden. Hier lägen die größten Wirkungsgradzuwächse verborgen. „Wir stellen kein fertiges Produkt auf den Tisch, dass der Kunde dann in seinem Gerät einbauen soll, sondern erarbeiten mit ihm zusammen die optimale Lösung“, so Dr. Lindl.

Durchdachte Logistikkonzepte:

Der „GreenTech“-Gedanke durchzieht bei ebm-papst übrigens alle Bereiche des Firmenalltags: So werden Mitarbeiterfahrzeuge (auch die der Chefetage) nach dem möglichst niedrigen CO₂-Ausstoß ausgewählt, Mitarbeiter werden mit einem Bus-Shuttle-Service zum Werk gebracht, man setzt zum Großteil auf Zulieferer aus der Region, um weite Transportwege zu vermeiden und, und, und.

Zwei-Stufen-Plan mit strengen Maßstäben | Doch zurück zu dem branchenübergreifenden Thema der ErP-Richtlinie: Mit Inkrafttreten der ErP-Durchführungsverordnung für Ventilatoren sind Ventilatoren-Hersteller gefordert, ihre Produkte für alle 27 Länder im europäischen Markt nach den definierten Effizienzanforderungen zu gestalten und damit einen wichtigen Beitrag zur Energieeinsparung zu leisten. Betroffen davon sind alle Ventilatoren im Leistungsbereich von 125 W bis 500 kW, unabhängig davon, ob sie als Einzelgerät arbeiten oder als Komponente in einem Gerät oder einer Anlage integriert sind. Dies betrifft alle erdenklichen Einsatzbereiche, angefangen von der Kälte- und Klimatechnik bis hin zum Maschinenbau oder IT-Anwendungen.

Dabei gibt die EU einen zweistufigen Plan vor und legt strenge Maßstäbe an, damit in Europa künftig keine „Energiefresser“ mehr in Verkehr gebracht werden: Ab 01.01.2013 gilt die erste Stufe, nach der schätzungsweise rund 30 % aller momentan am Markt verfügbaren Ventilatoren den europäischen Bestimmungen nicht mehr genügen werden. Ab 2015 werden in der zweiten Stufe etwa weitere 20 % durch effizientere Produkte ersetzt, die dann die vorgeschriebenen Mindestwirkungsgrade erreichen.

Ventilatoren, die der Verordnung entsprechen, erkennt der Anwender an der CE-Kennzeichnung, bei der die Energieeffizienz dann den gleichen Stellenwert einnimmt, wie das Einhalten der Niederspannungs- oder EMV-Richtlinie. Ein Labelling wie bei Waschmaschinen, Kühlschränken etc. ist bei Ventilatoren nicht vorgesehen, da der Ventilatoren-Hersteller meist keinen Einfluss auf die Einbaugegebenheiten hat. Hier sind vor allem Gerätehersteller in der Pflicht, die Ventilatoren in ihren Produkten einsetzen, denn sie müssen sicherstellen, dass alle Komponenten (derzeit Motoren, Ventilatoren und Pumpen) die Grenzwerte der ErP-Richtlinien einhalten. Ansonsten dürften sie ihr eigenes Produkt nicht mit einem CE-Kennzeichen versehen und dadurch auch nicht auf den Markt bringen.

Kaum Chancen für AC-Ventilatoren | Um festzustellen, ob ein Ventilator der ErP-Durchführungsverordnung entspricht, wird stets der Wirkungsgrad des kompletten betriebsfertigen Ventilators bewertet, also der Einheit aus Steuerelektronik (falls vorhanden), Motor und Ventilatorlaufrad (Bild 1). Die entsprechenden Grenzwerte sind hoch angesetzt. Bild 2 zeigt die ab 2013 bzw. 2015 geltenden Grenzwerte für Trommelläuferventilatoren, dargestellt durch die schwarzen Linien. Gleichzeitig sind die Wirkungsgrade marktüblicher Radialventilatoren dieser Gattung aus dem breiten Produktprogramm von ebm-papst im Diagramm eingetragen. Die dargestellte „Wirkungsgradwolke“ zeigt, dass nicht alle Ventilatoren die zukünftigen Anforderungen erfüllen. Man erkennt aber auch, dass es für annähernd jeden der zukünftig nicht mehr einsetzbaren Ventilatoren schon heute einen energiesparenden Ersatz gibt, der nicht nur die Vorgaben der Verordnung erfüllt, sondern sogar deutlich übertrifft.

Uwe Sigloch, Leiter Market Management Lüftungs- und Klimatechnik bei ebm-papst Mulfingen, bedauert zwar, dass die millionenfach eingesetzten kleinen Ventilatoren unter 125 W bisher nicht in Betrachung einbezogen wurden, insgesamt sieht er in der neuen Verordnung aber eine große Chance für kompetente Anbieter von Ventilatorentechnik wie ebm-papst. „Wir haben unsere Hausaufgaben frühzeitig gemacht, haben intensiv an der Ökodesign-Richtlinie mitgewirkt und haben vor allem entsprechende Produktentwicklungen vorgenommen“, ist er sich sicher. Auf diese Weise sei es leichter zu verschmerzen, dass viele Ventilatorentypen, die man bei ebm-papst über viele Jahre gefertigt habe, vom Markt verschwinden müssen. Schließlich weiß er, dass das Produktportfolio um entsprechend energieeffizientere Lösungen ergänzt wurde. Die ebm-papst-Ventilatoren mit „GreenTech“-EC-Technik erfüllen, laut Uwe Sigloch, nämlich zu 100 % schon heute die künftigen Anforderungen der ErP-Richtlinie. Allein schon die niedrigere Impedanz der Spule sorge bei EC-Ventilatoren nämlich im Vergleich zu AC-Ventilatoren zu einer Energieeinsparung von 18 %, weitere 54 % kämen durch das bessere Regelverhalten im Teillastbetrieb hinzu. Generell sieht Uwe Sigloch die AC-Ventilatoren im unteren Leistungsbereich daher als aussterbende Gattung: „Hochpolige und auch einphasige AC-Produkte werden es kaum schaffen, die ErP-Hürde zu nehmen – auch nicht die aus dem eigenen Hause.“  Probleme werden aus seiner Sicht auch viele andere Hersteller bekommen, die mit ihren Produktentwicklungen dem Stand der Technik hinterherhinken. Dies werde dazu führen, dass zahlreiche Importe aus Drittländern mit Ventilatoren minderer Güte ab 2013 wegfallen würden.

Grenzwerte, die es in sich haben | Für Axialventilatoren, vorwärts- und rückwärtsgekrümmte Radialventilatoren, Querstromventilatoren sowie Ventilatoren diagonaler Bauform gibt die EU die entsprechenden Formeln vor, mit denen sich die jeweils festgelegten Mindestwirkungsgrade berechnen lassen. Bei der Bewertung sind unterschiedliche Leistungsbereiche sowie die Einbausituation bei der Messung berücksichtigt (Bild 3). Die Zieleffizienz, also der konkrete Vorgabewert für einen Axialventilator im Leistungsbereich zwischen 0,125 und 10 kW, lässt sich nach folgender Formel berechnen:

Mindestwirkungsgrad η_min = 2,74 x ln (Aufnahmeleistung P₁ in kW) – 6,33 + N.

Wobei N eine von der Richtlinie definierte Konstante ist. Sie beträgt ab dem 01.01.2013 für Axialventilatoren „36“ und nach dem 01.01.2015 „40“. Diese Zahl kann als „Stellschraube“ der Politik für eine weitere Verschärfung der Anforderungen angesehen werden. Für den in Bild 4 gezeigten „HyBlade“-Axialventilator mit einer Antriebsleistung im Bestpunkt von 0,69 kW ergibt die Rechnung, dass er ab 2013 mindestens 28,65 % und ab 2015 mindestens 32,65 % Wirkungsgrad bezogen auf die statische Druckerhöhung erreichen muss. Die Kennlinie weist 40 % Wirkungsgrad aus, was deutlich über der Mindestanforderung ab 2015 liegt. Somit erfüllt bzw. übertrifft dieser Ventilator bereits heute schon die zukünftigen Vorgaben.

Der EC-Technik gehört die Zukunft | Die Wirkungsgradwolke zeigt beispielhaft, dass die von der ErP-Durchführungsverordnung geforderten Grenzwerte durchaus anspruchsvoll sind. Vor diesem Hintergrund ist die von ebm‑papst schon vor Jahren entwickelte „GreenTech“-EC-Technik bei elektrisch angetriebenen Ventilatoren die erste Wahl. Im Vergleich zu herkömmlichen Ventilatoren mit Asynchronmotoren (AC-Technik) erreichen EC-Motoren bis über 90 % Wirkungsgrad. Dies bedeutet, dass bis zu 50 % weniger Energieverbrauch gegen­über AC-Lösungen erreicht werden. Zudem lassen sich EC-Ventilatoren in der Drehzahl steuern, so dass die Luftmenge den jeweiligen Anforderungen angepasst werden kann, was mit einer weiteren erheblichen Energieeinsparung einhergeht.

Dank dem gelungenen Zusammenwirken von Motor, Elektronik und Aerodynamik überzeugen die EC-Ventilatoren von ebm-papst aber nicht nur hinsichtlich ihrer Energieeffizienz, sondern arbeiten aufgrund optimierter Kommutierungsverfahren und der strömungstechnischen Auslegung der Ventilatorräder extrem leise. Des Weiteren überzeugen sie durch ihre Zuverlässigkeit und Langlebigkeit.

Durchführungsverordnung für Motoren | Was für die Ventilatoren gilt, gilt prinzipiell auch für Elektromotoren. In diesem Zusammenhang kommt es jedoch oft zu Unklarheiten und Missverständnissen. Tatsache ist, dass Elektromotoren ab Juni 2011 gemäß der ErP-Durchführungsverordnung Nr. 2009/640/EG der Europäischen Union mindestens die Effizienzklasse IE2 erreichen müssen. Denn nur dann dürfen diese Motoren in Europa weiter eingesetzt werden. Allerdings sind nicht alle der heute üblichen Motoren von der Richtlinie betroffen:

Als „Motor“ bezeichnet die Verordnung „einen für den Dauerbetrieb ausgelegten eintourigen Dreiphasen-Käfigläufer-Induktionsmotor in 2-, 4- bzw. 6-poliger Ausführung, mit einem Nennspannungsbereich bis 1000 V und Nennausgangsleistungen zwischen 0,75 kW und 375 kW“. EC-Außenläufermotoren, die z.B. als Antriebe in energieeffizienten Ventilatoren eingesetzt werden, sind somit von dieser Verordnung nicht betroffen. Nichtsdestotrotz lassen sich aber ihre Wirkungsgrade mit denen in der Verordnung geforderten Werten vergleichen. Dabei wird deutlich, dass die EC-Motoren das dort verlangte Effizienzniveau deutlich übertreffen (Bild 5). Dies zeigt, dass die EC-Motorentechnik bei der Planung von energieeffizienten Geräten und Anlagen die bessere Alternative darstellt.