9 minute read
Energiereeks (3/4): Zoektocht naar efficiëntie
ZOEKTOCHT NAAR EFFICIËNTIE: WAT NA IE5?
In de motorenwereld is het afgelopen decennium enorm gefocust op het rendement. Dat was ook nodig, want elektromotoren zijn de werkpaarden uit onze industrie. Elke winst die daar kan geboekt worden, heeft meteen een grote impact op het energieverbruik. Toch kunnen we ons de vraag stellen of de focus op de IEx klasse nog wel de juiste benadering is.
We nemen u eerst even mee naar een fictieve toekomst. In Automation Magazine nummer 698 lezen we volgend bericht: ‘Het is 1 januari 2050. Vanaf vandaag zijn de nieuwe efficiëntieklassen volgens de Europese verordening 640/2049 inzake ecologisch ontwerp voor elektromotoren van kracht. Vanaf heden is het verboden om de energieverslindende elektrische motoren met klasse IE88 in te zetten en moet overgeschakeld worden naar klasse IE89. De efficiëntie van deze motoren moet minstens 99,9999998 procent bedragen, wat toch een enorme verbetering betekent ten opzichte van de vorige klasse die afklokte op slechts 99,9999997.’
Het voorgaande is uiteraard een ‘licht’ overdreven toekomstvoorspelling, maar u snapt ongetwijfeld waar we naartoe willen: staat er een limiet op de toekomstige efficiëntiewinst van motoren? En wanneer is een verbetering nog een echte verbetering? Voor alle duidelijkheid: dat de Europese verordening 640/2009 met de efficiëntieklassen broodnodig was ontkennen we hier uiteraard niet. De geleidelijke verstrenging van de minimum rendementsvereisten zorgde ervoor dat een belangrijke bron van energieverbruik -op het moment van de verordening 46% van het verbruik in de industrie- geleidelijk teruggebracht werd tot 34% (cijfers IEC). De verordening in kwestie is hier mee verantwoordelijk voor en kan dus zeker bogen op belangrijke merites. Het geleidelijk vervangen van motoren door IE1, IE2 en IE3 leverde dus zeker resultaat op, maar we moeten ook naar de toekomst durven kijken. Loont het de moeite om over te schakelen richting IE4, IE5 en de bijhorende nieuwe technologie? Zullen op zeker moment de extra materiaalkosten - daar komen we zo meteen op terug - voor een IEx motor zo oplopen dat het betere rendement teniet gedaan worden? En wat zijn de gevolgen voor de rest van de installatie op recente ontwikkelingen in motorefficiëntie? En tot slot: wat is de huidige status van opvolgtechnologieën zoals de synchrone reluctantiemotoren en permanentmagneetmotoren?
Hoe wordt een inductiemotor efficiënter gemaakt?
Het mag duidelijk zijn dat na 10 jaar focus op efficiëntie, het laaghangend fruit al geplukt is. Om verdere verbeteringen te realiseren wordt daarom gekeken naar een combinatie van kleine aanpassingen en innovaties, die samen tot minder verliezen leiden. Een bloemlezing:
• De jouleverliezen in het anker worden verminderd door meer koper (in plaats van aluminium) te gebruiken. • Een kleinere luchtspleet tussen stator en rotor zorgt voor minder reluctantie (magnetische weerstand).
Elektromotoren vertegenwoordigen een groot aandeel van het energieverbruik in de industrie. De vraag werpt zich op hoe we de efficiëntie verder kunnen verbeteren.
• IJzerverliezen - de gecombineerde hysteresis -, wervelstroom- en zwerfstroomverliezen- worden beperkt door het blikpakket te verbeteren. • Innovatie in lagertechnologie zorgen voor minder wrijving. • Door betere lamineringen te gebruiken worden de kernverliezen beperkt. • Een beter uitgekiend ontwerp van rotor en koeling zorgt tot slot voor een verdere verbetering.
De aanpassingen hebben evenwel ook een keerzijde: het gewicht van een inductiemotor is de afgelopen jaren stelselmatig gestegen, waardoor bijvoorbeeld ook de interne inertie gegroeid is. Op zijn beurt kan dit leiden tot langere aanlooptijden. Bovendien is de vervanging van een motor met laag rendement door een hoogrendements exemplaar niet voor alle toepassingen even efficiënt. De kleinere rotorweerstand kan er bijvoorbeeld voor zorgen dat de nominale snelheid omhoog getrokken wordt. Het resultaat is meer opgenomen vermogen en dus net meer verbruik.
Zwakheden in de verordening
Wie weinig vertrouwd is met de IEx regelgeving zou kunnen
De efficiëntieklassen volgens verordening 640/2009 leggen minimumvereisten op.
denken dat twee motoren uit dezelfde IE klasse min of meer hetzelfde rendement zullen hebben. Daar is evenwel een belangrijke kanttekening bij te maken, want de IE klasse wordt bepaald door de prestaties in het nominale belastingspunt van de motor. In de praktijk worden motoren uiteraard ingezet in zeer diverse applicaties, waarbij de werking in dit nominale belastingspunt slechts weinig in de realiteit bereikt wordt. Motoren die werken bij andere snelheden - wat in hedendaagse flexibele productiesystemen steeds meer het geval is - kunnen met andere woorden onderling aanzienlijke verschillen tonen. Hetzelfde geldt voor het werken onder wisselende belastingen. Bovendien was de verordening ook wat eng, in die zin dat ze enkel de motorprestatie beoordeelde, terwijl de reële prestatie toch in relatie met het systeem waarin de motor zich bevindt moet bekeken worden. Een eerste stap in die richting werd al gezet door ook de frequentieregeling mee te nemen in de volgende stappen van de verordening. Maar dat volstaat niet. De energieprestatie van een machine is meer dan louter de som van de prestaties van de separate componenten, ook transmissieverliezen tussen onderdelen moeten absoluut meegenomen worden.
Bovendien zijn er aanzienlijke verschillen in het lastprofiel tussen de ‘traditionele’ inductiemotoren en de recentere technieken zoals permanentmagneet- en synchrone reluctantiemotoren. In sommige gevallen kan het reële rendement van een IE4 inductiemotor daarom compleet anders liggen dan een motor met de nieuwe technieken uit dezelfde efficiëntieklasse.
Permanentmagneet synchrone motor (PMSM)
Welke zijn nu precies die ‘nieuwe’ technieken. PM-motoren zijn een pak efficiënter bij lage toerentallen dan inductiemotoren en hebben normaliter geen geforceerde ventilatie nodig. Omdat er gewerkt wordt met permanente magneten in plaats van energievragende elektromagneten, gaat het rendement een pak omhoog. De beperkte rotorinertie en de goede bestandheid tegen piekbelastingen maken dit type vooral populair bij dynamische servo-aandrijvingen. De permanentmagneetmotor is de voorbije jaren weleens het voorwerp geweest van discussie. Die spitsen zich niet toe op de werking an sich, maar wel op de inzet van permanentmagneten, die naast hun zeldzaamheid ook de deur zouden openzetten voor geopolitieke manoeuvres. Dat China het absolute monopolie heeft op de ontginning van deze aardmetalen is overigens een vaak gehoord maar onjuist argument. We kunnen eerder spreken over een dominante positie, want ook in landen als Brazilie, Vietnam en Australië zijn de grondstoffen te vinden. Wat wel juist is dat China een zeer groot aandeel heeft in de verwerking (87% in 2019) van deze magneten, maar dit heeft zeer veel te maken met
Om verdere efficiëntieverbeteringen te realiseren wordt overgestapt op andere werkingsprincipes zoals permanent magneet motoren of synchrone relacutantiemotoren.
de goedkope arbeidskost. Met andere woorden: de vrees dat China ongebreideld de prijzen kan opdrijven is ergens onterecht, want ze kunnen zichzelf uit de markt prijzen eens een zeker plafond bereikt is.
Synchrone reluctantiemotor (SynRM)
De fabrikanten van synchrone reluctantiemotoren hebben geen last van de discussie rond zeldzame aardmetalen, want hun type motor maakt geen gebruik van magneten. De innovatie zit hier vooral in de rotor. Deze is gemaakt van gelamineerde ijzeren lagen die een lichte maar stevige constructie vormen die magnetisme toelaat er doorheen te stromen. De vorm is nauwkeurig ontworpen om de magnetische reluctantie binnen de rotor te geleiden. Als gevolg daarvan zal de rotor zich ‘gelijkrichten’ met de magnetische flux geproduceerd door de statorspoelen, en deze positie ook bewaren. Hierdoor beweegt de rotor met precies dezelfde snelheid als de magnetische flux, vandaar de naam synchrone reluctantiemotor.
Door de gelamineerde opbouw is de motor iets moeilijker te magnetiseren, maar dit verlies wordt goedgemaakt omdat er geen jouleverliezen in de rotor optreden. De techniek op zich is verre van nieuw, maar het is vooral de combinatie met VFD die leidt tot minder verliezen. Is het dan allemaal rozegeur en maneschijn? Neen, want de synRM techniek staat nog voor enkele uitdagingen. Zo is de powerfactor aan de lage kant. Om dat te verbeteren wordt er onder andere gekeken naar een aangepaste laminaire opbouw van de rotor.
B
A
C
Efficiëntieprofiel van een 10 kW (A) inductiemotor (B) SynRM en (C) PMSynRM motor. Het Synchrone Reluctantie principe: De rotor wekt een koppel op als er in de luchtspleet een magnetisch veld aanwezig is die niet uitgelijnd is met de rotor. De rotor is uitgelijnd met het magnetisch veld, zodat er geen koppel wordt opgewekt (a). In (b) is de rotor niet uitgelijnd met het magnetisch veld en wordt (in tegenwijzerzin) een koppel opgewekt.
ONTDEK DE TOEKOMST VAN VERPAKKEN OP EMPACK MECHELEN
Nieuwsgierig naar de toekomst van verpakken? Dan wordt u verwacht op Empack: het enige professionele verpakkingsevent in België voor iedereen die dag in, dag uit packaging ademt. Na een jaar niet op de kalender te hebben gestaan wegens corona, vindt het event opnieuw plaats in de Nekkerhal te Mechelen op 27 & 28 oktober 2021. Een unieke kans om inspiratie op te doen, oplossingen te vinden voor uw uitdagingen, waardevolle contacten te leggen en uw bedrijf toekomstklaar te maken.
What’s the next big thing in packaging? Op die vraag vindt u tijdens Empack 2021 zeker een antwoord. Empack richt de blik op de toekomst en focust op belangrijke thema’s zoals duurzaamheid en digitale transformatie. Daarnaast is dit dé moment om opnieuw te netwerken. Twee dagen lang kunnen meer dan 150 exposanten en 3.200 bezoekers naar hartenlust netwerken, inspiratie opdoen en hun ‘passion for packaging’ delen in een 4.000m² zee van ruimte.
Professioneel kennisprogramma
Geen innovatie zonder knowhow. Daarom biedt Empack u een uitgebreid kennisprogramma aan. Tijdens de seminaries en workshops wordt er dieper ingegaan op hot topics in de verpakkingsindustrie zoals duurzaamheid, circulariteit, digitalisatie, packaging design,…
Zo is er het programma ‘Groen Verpakken’ i.s.m. onder andere Fost Plus en Karine Van Doorsselaer (UAntwerpen), de Pack4Food Roadshow over circulair verpakken, workshops rond digitaliseren en innoveren in het verpakkingsproces, cases rond data driven packaging design enzovoort.
Drie zones met speciale focus
• Packaging Innovations: een dedicated zone op Empack. Niet-te-missen voor brand managers, marketeers, packaging designers,… • Contract Pack Pavilion: op dit paviljoen ontdekt u bedrijven die uw verpakkingsproces uit handen kunnen nemen. • Take Out Corner: de place to be als u op zoek bent naar duurzame en gebruiksvriendelijke verpakkingen voor uw take away maaltijden.
Awards & netwerken
Tot slot vinden er ook twee awarduitreikingen en een netwerkdrink plaats op het einde van de eerste beursdag: de Trends Gazellen in packaging en de allereerste Verpakking & Label Award. De Trends Gazellen Awards huldigen snelgroeiende bedrijven of ‘Gazellen’ in drie verschillende categorieën: kleine, middelgrote en grote ondernemingen. De nieuwe verpakkingsprijs, de Verpakking & Label Award, omvat twee categorieën: intelligente verpakkingsmachines en innovatieve verpakkingen & verpakkingsmaterialen. De winnaars worden tijdens een feestelijke prijsuitreiking bekend gemaakt.
Zoals u ziet, wordt Empack opnieuw een informatie- en netwerkplatform. Het volledige programma vindt u op www. empack.be.
Bezoek gratis
Registreer u meteen via www.empack.be met code BAAS1000 voor uw gratis ticket. U komt niet graag alleen? Nodig uw collega’s uit en registreer ze met dezelfde code.
Praktische informatie
Empack Mechelen 27 & 28 oktober 2021 Nekkerhal-Brussels North
JOHAN DUYSTERS: ‘MET MGH WIL IK VERDER INTERNATIONALISEREN EN DIVERSIFIËREN.’
Maintenance & Gears Heyvaert - kortweg MGH - is voor velen onder ons een bekend klinkende naam. De pensionering van Geert Heyvaert leidde recent tot enkele veranderingen in het bedrijf. Zo zorgt de aanstelling van nieuwe eigenaar Johan Duysters voor vers bloed aan de top van het bedrijf en wordt de steven gericht op verdere internationalisering en diversifiëring.
