Mit Megawattleistungen an die schweren Aufgaben

Während im Niederspannungsbereich Motoren immer kompakter werden, erfordern große Aufgaben schiere Größe. Mittel- und Hochspannungsmotoren betreiben extrem große Pumpen für die Wasserversorgung oder das Abpumpen von Grubenwasser. Sie stehen unter freiem Himmel oder in den Hallen von Stahlwerken, Recyclinganlagen und Zementfabriken. Im mobilen Sektor kommen sie in Eisenbahnzügen, riesigen Muldenkippern für den Bergbau oder Arbeitsschiffen zum Einsatz.

Die Nachfrage nach den großen Lösungen wächst solide. Den weltweiten Markt für Hochspannungsmotoren berechnen Marktforscher von Market Reports World auf rund 18 Milliarden US-Dollar, bis 2033 soll er auf rund 22 Milliarden US-Dollar anwachsen. Traditionell größter Absatzmarkt ist Nordamerika, Asien wächst aber mittlerweile deutlich dynamischer.

Eintritt ab 1 kV Spannungsversorgung

Während Niederspannungsmotoren fast immer in Serie gefertigt werden, werden Mittel- und Hochspannungsmotoren häufig projektweise angepasst, durch explosionsgeschützte Varianten, für die Öl- und Gasindustrie, verschiedene Kühlungen oder einen besonders sanften Anlauf. Die Unterscheidung zwischen Mittel- und Hochspannung ist dabei willkürlich und je nach Hersteller historisch gewachsen. Einigkeit besteht herstellerübergreifend darin, dass Motoren ab einer Spannungsversorgung von rund einem kV dazugehören. Je nach Region und Anwendung reicht das Spektrum bis 15 kV.

Fast drei Viertel der gefertigten Motoren sind Synchronmotoren, die unabhängig von der Last die Drehzahlen konstant halten können. In allen großen Märkten haben Regulierungsbehörden bereits Vorgaben für eine verbesserte Energieeffizienz erlassen oder planen die Einführung. Die Motorenhersteller haben darauf bereits reagiert und bieten effizienzgesteigerte Motoren und Antriebe auch im obersten Leistungsbereich. Das reduziert den CO2-Ausstoß und macht sich auch in der wirtschaftlichen Bilanz der Anwender deutlich bemerkbar, denn mehr als 90 Prozent der Lebenszykluskosten verursacht der Stromverbrauch der großen Motoren.

Neue Ökodesign-Richtlinie in Europa bis 2030

Fast zehn Prozent des weltweiten Stromverbrauchs fließt in große elektrische Motoren mit mehr als 1.000 V Spannungsversorgung. Daraus entstehen Multimegawattleistungen, die im Bergbau, im Recycling, in Stahl- und Zementwerken, in der chemischen Industrie und bei der Infrastruktur Mahlwerke, Förderstrecken, Pumpen, Kompressoren und Lüfter antreiben. Die aktuell geltende Ökodesign-Richtlinie der Europäischen Union für Elektromotoren und drehzahlvariable Antriebe erfasst aktuell nur Motoren bis 1.000 kW Leistung - eine Grenze mit Verfallsdatum. „Um das Jahr 2030 wird der Geltungsbereich auf 2 MW ausgedehnt“, kündigt Bernhard Sattler, Fachbereichsgeschäftsführer des Fachbereichs Elektrische Antriebe beim ZVEI an.

Die Vorbereitungen laufen bereits und 2024 wurde mit der IEC 60034-30-3 "Wirkungsgradklassen von Hochspannungs-Wechselstrommotoren“ eine Normierung für Motoren bis zu 2 MW vorangetrieben. Bis zu dieser Schwelle herrschen oft Standardmotoren vor, die mittlerweile bereits Wirkungsgrade von 94 Prozent und mehr erreichen. Ob eine Festlegung der Wirkungsgrade in EU-Vorgaben sinnvoll ist? „Durch die gesetzlichen Vorgaben im Niederspannungsbereich hatten die Elektromotorenhersteller Planungssicherheit und haben die nicht unerheblichen Investitionen in neue Produktfamilien – wie die Klasse IE3 – veranlassen können. Aus meiner Sicht eine gute Entscheidung, um eine Transformation zu höheren Einsparungen zu erzielen”, bewertet Bernhard Sattler die Vorgaben.

30 bis 40 Prozent höhere Energieeffizienz

Einen mächtigeren Hebel für Energieeffizienz sieht er aber – wie auch die meisten Hersteller – im Einsatz von Frequenzumrichtern zur elektronischen Drehzahlregelung. Hier sind nach Berechnungen von Experten des Fachbereichs Elektrische Antriebe des ZVEI und der Hersteller je nach Anwendung im Betrieb Energieeinsparungen von 30 bis zu 40 Prozent möglich.

Nach Markterhebungen betreiben die Anwender derzeit weniger als 20 Prozent der installierten Hochvoltmotoren mit elektronischer Drehzahlregelung. Bei neu installierten liegt der Anteil der Großmotoren mit Drehzahlregelung immerhin bei rund 35 Prozent, aber damit sind rund zwei Drittel immer noch ungeregelt. „Darum drängen wir darauf, nicht nur den Wirkungsgrad der Motoren zu betrachten, sondern eben auch den Systemgedanken in die Richtlinie mit aufzunehmen“, beschreibt Bernhard Sattler die Verhandlungsposition der Branche.

Für Motoren über 2 MW, vor allem für das Projektgeschäft, sieht er dagegen einen geringeren Handlungsdruck. „Die Kunden vereinbaren mit den Herstellern hier in der Regel ohnehin hohe Zielvorgaben für die Energieeffizienz, weil die Stromkosten über die Lebensdauer den weitaus größten Kostenblock bilden“, bekräftigt der ZVEI-Experte. Genau hier liegt auch eine Stärke der europäischen Hersteller.

Erst die Anforderungen der Kunden, dann die Norm

Sorgen machen die kommenden Regulierungen Marco Macion, Leiter Globaler Branchenvertrieb der VEM-Gruppe nicht. Das Unternehmen bietet seit 140 Jahren weltweit komplette elektrische Antriebslösungen, bestehend aus elektrischen Maschinen, Frequenzumrichtern, Stromrichtern oder auch Transformatoren an. Der Leistungsbereich umfasst dabei 0,06 kW bis 100 MW für Nieder- und Mittelspannung.

„Lange vor der Norm kommen die Anforderungen der Kunden“, lächelt er und verweist darauf: „Wir erreichen bei unseren Motoren aktuell schon Wirkungsgrade bis zu 99 Prozent.“ Das gilt vor allem für große permanenterregte Sondermaschinen, wie die Motoren hier auch genannt werden. Dabei gilt: Je größer die Motoren sind, desto besser können sie konstruktiv auf höchste Wirkungsrade ausgelegt werden. Allerdings steigt mit der Energieeffizienz auch der Materialeinsatz. „Ein hocheffizienter 2 MW Motor braucht rund 220 kg Magnete, bestehend aus selten Erden“, rechnet der Leiter Branchenvertrieb hervor. „Man muss die Balance finden zwischen dem, was technisch machbar ist und wirtschaftlich Sinn macht.“

High-Speed- Motoren ersetzen Getriebe

VEM deckt das gesamte Spektrum an Motorprinzipien ab, von Asynchron- über permanent erregte Synchron- bis hin zu Reluktanzmotoren. Eine Neuheit bei VEM sind High-Speed-Motoren mit bis zu 30.000 U/min bis in den Multimegawattbereich. „Damit sparen unsere Kunden beispielsweise bei Pumpen und Verdichtern Getriebe ein, verringern so die mechanischen Verluste und senken die Wartungskosten“, hebt Marco Macion hervor.

Die großen Motoren baut VEM sowohl für Mittel- als auch für Niederspannung. „In maritimen Anwendungen, z. B. bei Arbeitsschiffen, ist ein 960 V Bordnetz weit verbreitet“, betont Marco Macion. „Das reicht auch für die Motoren der Schiffsantriebe.“ Im stationären Bereich sind Netze ab 6,3 kV bis zu 15 kV verbreitet. Bislang dominiert bei VEM das Projektgeschäft. „Hier analysieren wir ab dem ersten Beratungsgespräch gemeinsam mit dem Kunden die konkrete Anwendung und konfigurieren Gesamtsysteme“, bekräftigt Marco Macion. Zukünftig zielt das Unternehmen vermehrt auch auf den Volumenmarkt mit kompakten und modularen Baureihen.

Trend zur elektronischen Drehzahlregelung spart Energie

Drehzahlvariabilität ist in der Mittelspannung ein grundlegender Trend. Richtig ausgelegt, arbeiten permanenterregte Motoren in Verbindung mit einem Frequenzumrichter immer im optimalen und damit effizientesten Bereich. Geregelte Antriebe verbessern auch das Anlaufverhalten. Gerade bei starken Widerständen, beispielweise bei Anwendungen im Recycling oder im Bergbau, müssen Motoren hohe Losbrechmomente erzeugen. Ohne Umrichter kommt es zu enormen Verbrauchsspitzen, die das Stromnetz stark belasten oder gar überlasten können.

Bewegung bei Condition Monitoring

Condition Monitoring gewinnt angesichts der hohen Investitions- und Stillstandkosten bei den Endanwendern erheblich an Bedeutung. „Dieses Interesse war aus unterschiedlichen Gründen anfangs sehr gering“, erinnert sich Marco Macion. Früher waren Kunden oft nicht bereit, ihre Betriebsdaten zu teilen. Heute sieht der Leiter Branchenvertrieb aber Bewegung im Markt. Gerade bei großen Antrieben werden bereits seit einiger Zeit Sensordaten für Temperatur, Vibrationen, Kühlung und anderes integriert. Die VEM-Lösung VEMoDiAC erfasst diese Daten und kann sie in die Prozesstechnik senden. Damit können Anwender über die zustandsbasierte Wartung außerplanmäßige Stillstandzeiten nach VEM Angaben deutlich reduzieren.

Mindestanforderungen in China bei knapp 97 Prozent Wirkungsgrad

„Eine hohe Leistungsdichte auf weniger Bauraum und Gewicht“, das zeichnet für Sebastian Schwarz, Leiter Produktmanagement Hochspannungsmotoren &-Generatoren bei Innomotics, die eigenen Motoren aus. Innomotics, bis September 2024 als Siemens Unternehmen für die Motorenfertigung zuständig, deckt in verschiedenen Produktfamilien das Spektrum bis über 100 MW ab. Das Unternehmen ist auf allen Märkten der Triade mit eigenen Werken aktiv. „In China fordern die Vorschriften bereits seit 2024 Grade 3 für Hochspannungsmotoren, das entspricht je nach Leistung einem Wirkungsgrad von bis zu 96 Prozent. Bei staatlichen Projekten sind die Anforderungen sogar noch deutlich höher.“, so Sebastian Schwarz. Innomotics erfüllt diese Vorgaben weltweit. Entsprechend sieht er die kommenden Regelungen in Europa gelassen.

Gewicht und Bauraum sind gerade bei mobilen Anwendungen, auf Schiffen oder auf Plattformen, entscheidende Kriterien für die Anwender. Hier punktet die Baureihe HV C, Asynchronmotoren bis 3,2 MW Leistung, mit einem wassergekühlten Mantel. Das ermöglicht eine deutlich höhere Leistungsdichte und schützt den Motor vor Umwelteinflüssen wie Staub, Salzwasser und Chemikalien.

Ölgeschmierte Wälzlager verlängern Wartungsintervalle auf zwei Jahre

Auch wenn der Elektromotor im Februar seinen 189. Geburtstag feiern konnte, gibt es durchaus Innovationspotenzial. So hat Innomotics in diesem Jahr eine patentierte Ölschmierung für Wälzlager der Hochvoltmotoren vorgestellt. „Dadurch verlängern wir die Wartungsintervalle von wenigen tausend Betriebsstunden bei Fettschmierung auf mindestens zwei Jahre und stellen eine wesentliche Ursache für Ausfälle ab.“

Im ölgeschmierten Wälzlagersystem lässt ein Ölring, ähnlich wie bei einem Gleitlager, das Öl zirkulieren und verteilt es über die Wälzlager. Er transportiert das Öl aus einem Ölreservoir nach oben, wo es über die Welle und die Lager verteilt wird. In der abgedichteten Kammer sind die Wälzlager vor Schmutz und Staub aus der Umgebung geschützt. „

Aktive Vibrationsdämpfung schont Motor und Fundament

Für diese Entwicklung hat Innomotics ebenso wie für das Active Vibration Control System (AVCS) den German Innovation Award 2026 erhalten. Zwischen Motor und Stahlrahmenfundamenten minimiert es aktiv kritische Resonanzen. Dazu passen Sensoren, elektrodynamische Aktuatoren und eine intelligente Regelungstechnik die Systemeigenschaften in Echtzeit an. Unabhängig von Drehzahlen oder Krafteinwirkungen auf die Achse ermöglicht es einen stabilen, resonanzarmen Betrieb. Das schont den Motor vor zermürbenden Schwingungen über den gesamten Drehzahlbereich hinweg. Die Anwender profitieren durch eine längere Lebensdauer und können teilweise die notwendigen Fundamente kleiner dimensionieren.

Kompakte Komplettantriebe bis 5 MW

Mit einem kompakten Gesamtpaket treibt die ABB-Division Large Motors and Generators den Einstieg in die elektronische Drehzahlregelung von Mittel- und Hochspannungsmotoren voran. Das MV-Titanium-Konzept von ABB ist nach Unternehmensangaben der weltweit erste drehzahlgeregelte Mittelspannungsmotor (MV) im Leistungsbereich von 1 bis 5 MW, der alle Anschlusselemente, Schaltanlagen, Steuerungsfunktionen und Motor in einer Baugruppe zusammenfasst. „Maßnahmen zur Energieeffizienz bei drehzahlgeregelten Motoren haben bei kleinen Motoren für Niederspannungsanwendungen deutlich an Bedeutung gewonnen. Große Motoren wurden jedoch aufgrund der anfänglichen Kosten und der Komplexität bisher vernachlässigt, sodass derzeit nur 10 bis 15 Prozent mit einem Antrieb ausgestattet sind», so Heikki Vepsäläinen, Leiter der ABB-Division Large Motors and Generators.

Üblicherweise sind bislang sowohl bei Neuinstallationen als auch bei der Nachrüstung von ungeregelten Motoren erhebliche Baumaßnahmen notwendig. Die elektrischen Anschlusskomponenten sowie die Antriebe sind in der Regel in einem eigenen E-Haus untergebracht. Von da aus führen Strom und Kommunikationskabel zum Maschinenhaus, in dem die Motoren installiert sind. „Das wird sich jedoch mit unserem neuen MV-Titanium-Konzept ändern, das die kostengünstige und unkomplizierte Installation eines passenden Motors mit verbesserter Steuerung, Überwachung und Konnektivität in einem einzigen Paket ermöglicht. Es ist die richtige Upgrade-Lösung für bestehende Direktmotoren“, bekräftigt der ABB-Manager. Anwender sparen kostbaren Platz und ein separates E-Haus.

1.000 Kohlekraftwerke vom Netz nehmen

Gerade an bestehenden, oft beengten Standorten, reduziert MV Titanium die Komplexität in der Planung und der Installation. Sowohl Investitions- als auch Betriebskosten sinken signifikant. Das Paket umfasst die Steuerung, Überwachung und die Konnektivität, um sich in übergeordnete Systeme einzufügen. Zudem bietet es Außerdem bietet es Softwarebibliotheken und Schnittstellen für die Prozessüberwachung und -optimierung.

MV Titanium deckt Anschlussleistungen bis 11 kV und Motorenleistungen von 1 bis 5 MW ab. Typische Einsatzgebiete sind Pumpen, Kompressoren und Lüfter in verschiedensten Branchen. ABB erwartet je nach Applikation eine Verringerung des Energieverbrauch um bis zu 66 Prozent, durch die sich die Investition innerhalb kurzer Zeit amortisiert.

Besonders wichtig ist Heikki Vepsäläinen der Beitrag zum Klimaschutz: „Das Einsparpotenzial bei Energiekosten und CO2-Emissionen ist enorm – wenn wir die gesamte installierte Basis nachrüsten würden, wäre das so, als würden wir knapp über 1000 Kohlekraftwerke vom Netz nehmen.“