Elektrofahrzeuge & Wärmepumpen: Elektromotoren spielen eine entscheidende Rolle bei der Energiewende

Elektromotoren sind in zwei wichtige Dekarbonisierungsoptionen involviert, die Elektrifizierung beinhalten: Elektrofahrzeuge (EVs) und Wärmepumpen. Dies wird zu einem signifikanten Marktwachstum führen, aber auch zu einer wachsenden Verantwortung in Bezug auf Effizienz, Flexibilität und Materialeinsatz.

Der Stromsektor ist am schnellsten zu dekarbonisieren, da es eine Vielzahl von kohlenstofffreien Energiequellen gibt, die Strom erzeugen können, wie z. B. PV, Wind und Wasser. Das bedeutet, dass die Elektrifizierung anderen Sektoren helfen kann, sich schnell und in großem Umfang zu dekarbonisieren. Es wird erwartet, dass der Anteil der Elektrizität am Bruttoendenergieverbrauch in der EU in den kommenden 30 Jahren von derzeit 17 % auf etwa 60 - 70 % steigen wird. Das größte Potenzial für die Elektrifizierung liegt in der Gebäudeheizung und -kühlung, der Warmwasserbereitung, dem Verkehr und verschiedenen Arten der industriellen Energienutzung. Bei den meisten dieser Anwendungen kommen Elektromotoren zum Einsatz. Infolgedessen wird der Anteil der Elektromotorensysteme zumindest mit dem Elektrifizierungsprozess wachsen, von derzeit 9 % auf etwa 30 % des Energieendverbrauchs in der EU. Angesichts dieses starken Marktwachstums werden auch die Auswirkungen der Motoren auf die Umwelt und den Netzbetrieb zunehmen.

Die Elektrifizierung des Verkehrs

Der Verkehrssektor trägt am meisten zu den energiebedingten Treibhausgasemissionen (THG) in der EU-28 bei. Ein Marktdurchbruch von Elektrofahrzeugen (EVs) für den Individualverkehr könnte zu einer starken und unmittelbaren Reduzierung dieser Emissionen führen, da EVs eine wesentlich höhere Well-to-Wheel-Effizienz aufweisen als Autos mit einem Verbrennungsmotor (ICE), der mit fossilen Brennstoffen betrieben wird. Darüber hinaus gibt es einen starken technologischen Anreiz, die Energieeffizienz von EV-Motoren weiter zu steigern, da dies die Reichweite bei einer festen Batteriekapazität erhöht. Und mit der dauerhaften Dekarbonisierung des Stromsektors werden die durch EVs erzielten Kohlenstoff-Emissionsreduktionen weiter zunehmen.

Die Mehrheit der EV-Hersteller entscheidet sich derzeit für Permanentmagnet-Synchronmotoren (PMSM). Andere Arten von EV-Motoren sind AC-Induktionsmotoren mit Kupferrotoren und synchrone Wickelfeldmotoren. Mit der Aussicht auf einen zukünftigen Massenmarkt sind Elektroautoantriebe jedoch Gegenstand intensiver F&E-Anstrengungen, unter anderem mit dem Fokus auf die Entwicklung von Motoren mit reduziertem Seltene-Erden-Anteil. Wesentliche Verbesserungen, die zu Verschiebungen zwischen den bevorzugten Motorentypen führen, sind in den nächsten Jahren zu erwarten.

Die Elektrifizierung von HLK

Ein Drittel der Treibhausgasemissionen in Europa ist auf Gebäude zurückzuführen, und ein Großteil davon steht im Zusammenhang mit Heizung und Kühlung. Mit der Richtlinie über die Gesamtenergieeffizienz von Gebäuden (Energy Performance of Buildings Directive, EPBD) strebt die EU an, die Emissionen aus Wohn- und Dienstleistungsgebäuden bis 2050 um 88-91 % im Vergleich zum Basisjahr 1990 zu senken. Da die Bau- und Renovierungsraten niedrig sind, könnte eine in einem Gebäude installierte Technologie 30 bis 40 Jahre oder länger bestehen bleiben. Das bedeutet, dass Systeme mit Blick auf die Zukunft ausgelegt werden sollten, insbesondere unter Berücksichtigung der erwarteten dauerhaften Abnahme der THG-Emissionen aus der Stromerzeugung. Die bevorzugte Art der Heiztechnologie hängt von vielen Faktoren ab, aber für die meisten Wohnungen werden eine lokale Wärmepumpe oder ein hochgradig dekarbonisiertes Fernwärmesystem die bevorzugten Optionen sein. Wärmepumpen basieren auf einem elektrisch angetriebenen Kompressor und können sowohl zum Heizen als auch zum Kühlen verwendet werden. Ihre Technologie ist ausgereifter als die von Elektrofahrzeugen, und in naher Zukunft sind keine grundlegenden technologischen Veränderungen zu erwarten. Da sich die EU-Vorschriften allmählich dahingehend entwickeln, dass nahezu Null-Energie-Gebäude vorgeschrieben werden, wird die Branche dazu angeregt, die Energieeffizienz von Wärmepumpen weiter zu steigern. Die Wahl der richtigen Kompressor-Laständerungsstrategie spielt dabei eine wichtige Rolle.

Energieeffizienz bleibt auf der Tagesordnung

Das erwartete Marktwachstum für Motorsysteme macht es zu einem effektiven Dekarbonisierungspfad, ihre Effizienz weiter zu steigern, bis hin zu den niedrigsten Lebenszykluskosten. Die Ausweitung der Ecodesign MEPS auf andere Motorkategorien und die Abschaffung einiger Ausnahmen wäre ein logischer nächster Schritt, der zu erheblichen Einsparungen bei den Kohlenstoffemissionen führen könnte. Kleine und große Motoren könnten einbezogen werden, und die Ausnahmen für Bremsmotoren und explosionsgeschützte Motoren könnten entfernt werden, ebenso wie die Möglichkeit, sich für eine niedrigere Effizienzklasse zu entscheiden, wenn sie mit einem drehzahlvariablen Antrieb (VSD) kombiniert werden. Diese vier Schritte würden zu einer Gesamteinsparung von 22,3 TWh oder 9,97 Millionen Tonnen_CO2eq pro Jahr führen. Für mittlere und große Leistungsmotoren könnte das Mindesteffizienzniveau ab 2022 auf IE4 angehoben werden. Dies wäre wirtschaftlich sinnvoll und würde weitere 9,3 TWh und 4,16 Millionen Tonnen_CO2eq pro Jahr einsparen.

Das größte Energieeinsparpotenzial liegt aber wohl in einem Ansatz, der das gesamte Motorsystem und nicht das isolierte Gerät in den Fokus nimmt. Der Nachteil eines solchen "erweiterten Produktansatzes" ist die Schwierigkeit, ihn in eine praktikable Regelung umzusetzen. Eine aktivere Förderung der Norm IEC 61800-9, die das gesamte Motorsystem berücksichtigt, wäre sinnvoll, ebenso wie die Entwicklung eines Software-Tools, das bei der Umsetzung dieser Norm helfen kann. Ein weiterer - ergänzender - Weg könnte die Förderung der Systemeffizienz über die Norm ISO 50001 zum Energiemanagement und deren Implementierungsleitfäden sein.

Verlagerung des Verbrauchs auf Momente der reichlichen Erzeugung

Der wachsende Anteil von netzgekoppelten Anlagen zur Nutzung erneuerbarer Energien, die von Natur aus eine variable Leistung aufweisen, macht die Aufgabe der Netzbetreiber zunehmend komplexer. Der Strom sollte nicht nur effizient genutzt werden, sondern der Verbrauch sollte so weit wie möglich in Momente mit reichlicher Erzeugung verlagert werden. Einige Sektoren, in denen eine große Anzahl von Motorsystemen im Einsatz ist, sind für diese Flexibilität gut gerüstet. Dazu gehören die Gebäudetemperierung (gut gedämmte Räume stellen eine eigene Pufferkapazität dar), die Wasserwirtschaft (hauptsächlich durch Pumpensysteme angetrieben) und industrielle Prozessanlagen. Es sollten Mechanismen geschaffen werden, um die Stromverbraucher mit den Netzbetreibern zu verbinden, damit ein solch weitreichendes Engagement der Verbraucher erreicht werden kann.

Motoren in der Kreislaufwirtschaft

Schließlich kann die Energiewende nur nachhaltig sein, wenn auch die stoffliche Nutzung berücksichtigt wird. Zu dieser Erkenntnis ist auch die Europäische Kommission mit dem Circular Economy Package gekommen. Die zu erwartende Zunahme der im Rahmen der Energiewende benötigten Motoren wirft die Frage auf, ob diese Motoren das Potenzial haben, Teil der Kreislaufwirtschaft zu sein.

Wenn Motoren hauptsächlich aus Kupfer, Stahl und Aluminium bestehen, bleibt ihr Abbaupotenzial begrenzt und ihr Grad an Wiederverwertbarkeit hoch. Motoren werden schon seit Jahrzehnten neu gewickelt und recycelt. Permanentmagnet-Synchronmotoren (PMSM) enthalten verschiedene Seltenerdmetalle, die auf der EU-Liste der kritischen Rohstoffe stehen und daher nicht empfohlen werden, ein wichtiger Teil der Lösung für aufkommende Massenmärkte zu werden. Die Unterstützung von Forschung und Innovation sollte sich auf die Entwicklung von Antrieben ohne Seltene Erden konzentrieren.

Design for Recycling(DfR) berücksichtigt den technischen und wirtschaftlichen Aufwand, der erforderlich ist, um bei Reparatur und Überholung sowie am Ende der Lebensdauer so viel Material wie möglich zurückzugewinnen. Es könnte dadurch gefördert werden, dass den Käufern von Elektromotoren Informationen zur Recyclingfähigkeit zur Verfügung gestellt werden, z. B. durch ein Design for Recycling-Label.

Elektromotoren blicken in eine glänzende Zukunft. Wenn es ihnen gelingt, ihre Leistung der kontinuierlichen Verbesserung der Energieeffizienz fortzusetzen und gleichzeitig auf einen verantwortungsvollen Materialeinsatz hinzuarbeiten, frei von Seltenen Erden und eingebunden in eine echte Kreislaufwirtschaft, könnten sie zu einem der großen Gewinner der Energiewende werden.

Mehr zu diesem Thema im Leonardo Energy White Paper ElektrischMotoren in der Energiewende.