Elektrische voertuigen en warmtepompen: Elektromotoren spelen een cruciale rol in de energietransitie

Elektromotoren spelen een rol bij twee belangrijke opties voor het koolstofvrij maken van gebouwen, waarbij elektrificatie een rol speelt: elektrische voertuigen (EV's) en warmtepompen. Dit zal leiden tot een aanzienlijke groei van de markt, maar ook tot toenemende verantwoordelijkheden op het gebied van efficiëntie, flexibiliteit en materiaalgebruik.

De elektriciteitssector wordt het snelst koolstofarm gemaakt vanwege de grote verscheidenheid aan koolstofvrije energiebronnen waarmee elektriciteit kan worden opgewekt, zoals PV, wind en waterkracht. Dit betekent dat elektrificatie andere sectoren kan helpen snel en op grote schaal koolstofarm te worden. Het aandeel van elektriciteit in het bruto-eindverbruik van energie in de EU zal naar verwachting stijgen van de huidige 17% tot ongeveer 60 à 70% in de komende 30 jaar. Het grootste potentieel voor elektrificatie ligt bij de verwarming en koeling van gebouwen, waterverwarming, vervoer en verschillende vormen van industrieel energiegebruik. Bij de meeste van deze toepassingen zijn elektromotoren betrokken. Als gevolg daarvan zal het aandeel van elektromotorsystemen op zijn minst meegroeien met het elektrificatieproces, van de huidige 9% tot ongeveer 30% van het eindgebruik van energie in de EU. Met deze sterke marktgroei in het vooruitzicht zal ook het effect van motoren op het milieu en op de werking van het net toenemen.

De elektrificatie van het vervoer

De vervoersector is de grootste veroorzaker van energiegerelateerde broeikasgasemissies (BKG) in de EU-28. Een marktdoorbraak van elektrische voertuigen (EV's) voor particulier vervoer zou tot een sterke en onmiddellijke vermindering van die emissies kunnen leiden, aangezien EV's een aanzienlijk hogere efficiëntie van bron tot wiel hebben dan auto's met een interne verbrandingsmotor (ICE) die wordt aangedreven door fossiele brandstoffen. Bovendien is er een sterke technologische stimulans om de energie-efficiëntie van EV-motoren verder te verbeteren, aangezien daardoor het rijbereik bij een vaste accucapaciteit toeneemt. En met het blijvend koolstofvrij maken van de elektriciteitssector zullen de koolstofemissiereducties die EV's opleveren, blijven toenemen.

De meerderheid van de EV-fabrikanten kiest momenteel voor synchrone motoren met permanente magneten (PMSM). Andere types EV-motoren zijn AC-inductiemotoren met koperen rotors en synchrone gewikkelde veldmotoren. In het vooruitzicht van een toekomstige massamarkt worden er echter intensieve O&O-inspanningen geleverd op het gebied van elektrische aandrijvingen voor auto's, waarbij - onder andere - de nadruk ligt op de ontwikkeling van motoren met een lager gehalte aan zeldzame aardmetalen. In de komende jaren worden belangrijke verbeteringen verwacht die tot verschuivingen tussen de voorkeurstypes van motoren zullen leiden.

De elektrificatie van HVAC

Een derde van de broeikasgasemissies in Europa is toe te schrijven aan gebouwen, en een groot deel daarvan houdt verband met verwarming en koeling. Met de richtlijn betreffende de energieprestatie van gebouwen (EPBD) wil de EU de emissies van gebouwen in de woon- en tertiaire sector tegen 2050 met 88-91% verminderen ten opzichte van het referentiejaar 1990. Aangezien de bouw- en renovatiepercentages laag zijn, kan een in een gebouw geïnstalleerde technologie 30 tot 40 jaar of langer meegaan. Dit betekent dat systemen met het oog op de toekomst moeten worden ontworpen, waarbij met name rekening moet worden gehouden met de verwachte blijvende daling van de broeikasgasemissies van elektriciteitsopwekking. Welk type verwarmingstechnologie de voorkeur geniet, hangt af van vele factoren, maar voor de meeste woningen zal de voorkeur worden gegeven aan een lokale warmtepomp of een sterk koolstofvrij stadsverwarmingssysteem. Warmtepompen werken met een elektrisch aangedreven compressor en kunnen zowel voor verwarming als voor koeling worden gebruikt. De technologie van warmtepompen is verder ontwikkeld dan die van elektrische voertuigen en er worden in de nabije toekomst geen fundamentele technologische verschuivingen verwacht. Nu de EU-regelgeving geleidelijk evolueert in de richting van het opleggen van bijna-energieneutrale gebouwen, wordt de sector gestimuleerd om de energie-efficiëntie van warmtepompen verder op te drijven. De keuze van de juiste compressorbelastingsvariatiestrategie speelt hierbij een belangrijke rol.

Energie-efficiëntie blijft op de agenda

De verwachte marktgroei voor motorsystemen maakt het tot een effectief decarbonisatiepad om de efficiëntie ervan verder op te voeren tot het niveau van de laagste levenscycluskosten. Uitbreiding van de MEPS inzake ecologisch ontwerp tot andere motorcategorieën en het schrappen van enkele uitzonderingen zou een logische volgende stap zijn die tot aanzienlijke koolstofemissiereducties zou kunnen leiden. Kleine en grote motoren zouden kunnen worden opgenomen en de uitzonderingen voor remmotoren en explosiebeveiligde motoren zouden kunnen worden geschrapt, evenals de keuze om te kiezen voor een lagere efficiëntiecategorie indien gecombineerd met een variabele snelheidsaandrijving (VSD). Deze vier stappen zouden leiden tot een totale besparing van 22,3 TWh of 9,97 miljoen ton_CO2eq per jaar. Voor middelgrote en grote elektromotoren kan het minimale efficiëntieniveau vanaf 2022 worden verhoogd tot IE4. Dit zou economisch verantwoord zijn en een extra besparing opleveren van 9,3 TWh en 4,16 miljoen ton_CO2eq per jaar.

Het grootste energiebesparingspotentieel schuilt echter waarschijnlijk in een aanpak die gericht is op het volledige motorsysteem in plaats van op het geïsoleerde toestel. Het nadeel van een dergelijke "uitgebreide productbenadering" is de moeilijkheid om deze te vertalen in een werkbare regelgeving. Een actievere promotie van de norm IEC 61800-9, die rekening houdt met het volledige motorsysteem, zou nuttig zijn, evenals de ontwikkeling van een softwaretool die kan helpen bij de toepassing van deze norm. Een andere - aanvullende - manier zou kunnen zijn de systeemefficiëntie te bevorderen via de ISO 50001-norm inzake energiebeheer en de bijbehorende toepassingsgidsen.

Verschuiving van het verbruik naar momenten van overvloedige productie

Het groeiende aandeel van aan het net gekoppelde systemen voor hernieuwbare energie, met een van nature variabele output, maakt de taak van de netbeheerders steeds complexer. Elektriciteit moet niet alleen efficiënt worden gebruikt, maar het verbruik ervan moet ook zoveel mogelijk worden verschoven naar momenten van overvloedige productie. Sommige sectoren waar veel motorsystemen in gebruik zijn, zijn goed toegerust om deze flexibiliteit te bieden. Voorbeelden zijn HVAC in gebouwen (goed geïsoleerde ruimten vormen op zichzelf al een buffercapaciteit), waterbeheer (voornamelijk aangedreven door pompsystemen), en industriële procesinstallaties. Er moeten mechanismen komen om elektriciteitsgebruikers te verbinden met netbeheerders, zodat een dergelijke verregaande betrokkenheid van consumenten kan worden bereikt.

Motoren in de circulaire economie

Tot slot kan de energietransitie alleen duurzaam zijn als rekening wordt gehouden met materiaalgebruik. Met het Circular Economy Package is ook de Europese Commissie tot deze conclusie gekomen. De verwachte toename van het aantal motoren dat nodig is tijdens de energietransitie leidt tot de vraag of die motoren de potentie hebben om deel uit te maken van de circulaire economie.

Als motoren voornamelijk bestaan uit koper, staal en aluminium, blijft hun uitputtingspotentieel beperkt en hun mate van recyclebaarheid hoog. Motoren worden al decennialang opnieuw gewikkeld en gerecycled. Synchrone motoren met permanente magneten (PMSM) bevatten verschillende zeldzame aardmetalen die voorkomen op de EU-lijst van kritieke grondstoffen. Steun voor onderzoek en innovatie moet worden toegespitst op de ontwikkeling van zeldzame-aardmetaalvrije aandrijvingen.

Bij ontwerp met het oog op recycling (Design for Recycling, DfR) wordt gekeken naar de technische en economische inspanningen die nodig zijn om bij reparatie en revisie en aan het einde van de levensduur zoveel mogelijk materiaal terug te winnen. Dit kan worden gestimuleerd door de kopers van elektromotoren informatie te verstrekken over de recycleerbaarheid, bijvoorbeeld door middel van een Design for Recycling-label.

Elektrische motoren gaan een mooie toekomst tegemoet. Als zij erin slagen hun prestatie van voortdurende verbetering van de energie-efficiëntie voort te zetten en tegelijk toe te werken naar een verantwoord materiaalgebruik, vrij van zeldzame aardmetalen en opgenomen in een echt circulaire economie, zouden zij een van de grote winnaars van de energietransitie kunnen worden.

Meer over dit onderwerp in de Leonardo Energy white paper ElektrischMotoren in de energietransitie.