Frequenzumrichter: Netzkapazität durch geringere Motorlast freisetzen

Rund 50 Millionen Elektromotoren treiben in US-Fabriken und -Gebäuden Lüfter, Pumpen und Kompressoren an. Zusammen verbrauchen sie so viel Strom, dass er fast einem Drittel des gesamten US-Strombedarfs entspricht. Ein Bericht in IEEE Spectrum argumentiert, dass viele dieser Motoren weit mehr verbrauchen, als ihre Lasten erfordern, und dass Frequenzumrichter (FU) der günstigste Weg sind, diese Lücke zu schließen.

Die gängige Lesart dieser Geschichte bedarf einer Korrektur. Ein FU schiebt nicht mehr Strom durch bestehende Übertragungs- oder Verteilleitungen. Er tut das Gegenteil: Er senkt die Last am Ende der Leitung. Die Wirkung auf ein überlastetes Netz kann ähnlich aussehen, weil nicht mehr verbrauchte Kapazität anderen zur Verfügung steht. Mechanismus und technische Grenzen sind jedoch verschieden, und Ingenieure sollten beides auseinanderhalten.

01Was ein Umrichter tatsächlich leistet

Ein Standard-Asynchronmotor an einer festen 50- oder 60-Hz-Versorgung läuft mit nahezu konstanter Drehzahl. Braucht ein Lüfter oder eine Pumpe weniger als die volle Leistung, greift man üblicherweise zur mechanischen Drosselung mit Klappen, Ventilen oder Rückführung. Der Motor dreht weiter mit voller Drehzahl, die überschüssige Energie wird vernichtet.

Ein FU ist ein leistungselektronischer Umrichter. Er richtet die eingehende Wechselspannung zu einem Gleichspannungszwischenkreis gleich und erzeugt mit einem Wechselrichter Wechselspannung in der Frequenz und Spannung, die der Motor benötigt. Eine niedrigere Frequenz bedeutet eine niedrigere Wellendrehzahl. Ein Regelkreis, meist mit Druck- oder Temperatursollwert, passt die Drehzahl laufend an den Bedarf an.

Die Einsparungen beruhen auf der Physik von Strömungsmaschinen. Nach den Affinitätsgesetzen skaliert der Volumenstrom mit der Drehzahl und die Förderhöhe mit deren Quadrat, die Wellenleistung also mit der dritten Potenz. Bei 80 % Drehzahl sinkt die Leistung auf 0,8³ = 0,512 der Volllastleistung, eine Reduktion um 49 % bei 20 % weniger Volumenstrom. Bei 60 % Drehzahl fällt die Leistung auf nur noch 22 % des Volllastbedarfs.

Neal Elliott, Direktor emeritus beim American Council for an Energy-Efficient Economy, beziffert die typische Energieeinsparung eines Motors durch einen FU laut Spectrum auf etwa 40 bis 60 Prozent. Das ist ein Bereich für geeignete Anwendungen, keine Garantie für jeden Motor.

02Wo die Einsparungen real sind – und wo nicht

Das Kubikgesetz gilt nur für Lasten, die sich wie reine Reibung verhalten. Eine Pumpe, die Wasser gegen eine statische Förderhöhe hebt, muss beispielsweise eine Mindestarbeit leisten, die keine Drehzahlreduktion beseitigen kann. Ein Fachleitfaden merkt an, dass die tatsächlichen Einsparungen in Systemen mit erheblicher statischer Förderhöhe geringer ausfallen als berechnet. Ein anderer sagt, die Einsparung könne weniger als die Hälfte des Werts nach dem Kubikgesetz betragen, und die Pumpenkennlinie müsse mit der Anlagenkennlinie überlagert werden, um sie sauber zu bestimmen.

Weitere Einschränkungen:

• Umrichterverluste. Ein Wechselrichter verliert typischerweise 2 bis 4 Prozent der übertragenen Leistung als Wärme. Ein Umrichter, der einen Motor den ganzen Tag mit voller Drehzahl betreibt, spart daher nichts.
• Lasten mit konstantem Drehmoment. Förderbänder und Verdrängerverdichter profitieren nicht vom kubischen Effekt. Die Einsparungen entstehen dort durch bessere Lastanpassung, nicht durch die Affinitätsgesetze.
• Teillastverhalten des Motors. Der Wirkungsgrad eines Motors sinkt deutlich, wenn die Last unter 40 % fällt. Deshalb werden richtige Dimensionierung und Umrichter oft gemeinsam bewertet.
• Netzqualität. Umrichter nehmen nicht sinusförmigen Strom auf. Oberschwingungsfilterung sowie Kabel- und Motorisolation gehören in jede Nachrüstspezifikation. Die von mir gesichteten Quellen beziffern diese Kosten nicht.

03Die Verbreitungslücke

Das Potenzial besteht, weil der Einsatz gering ist. Spectrum berichtet unter Berufung auf die Marktanalyse des Lawrence Berkeley National Laboratory von 2021, dass nur 16 Prozent der industriellen Motorsysteme und 4 Prozent der Motoren im Gewerbesektor mit FU betrieben werden. Als Gründe nennt der Bericht teils den als lästig empfundenen Nachrüstaufwand, teils den Umstand, dass Umrichter in der Regel nicht vorgeschrieben sind.

Der Bericht LBNL Volume 1 liefert Details, die für die Zielgruppenauswahl wichtig sind. Die Umrichter-Verbreitung steigt mit der Anlagengröße: In großen Industrieanlagen hängen 17 Prozent der Motorsystemleistung an einem FU, in kleinen sind es 8 Prozent. Derselbe Bericht stellt fest, dass fast die Hälfte des Stromverbrauchs der Motorsysteme auf rund 3.500 Standorte entfällt, 1,5 Prozent der US-Produktionsstandorte. Ein Programm, das auf einige tausend große Standorte zielt, könnte also einen großen Teil der Last erreichen.

Der Spielraum zeigt sich auch in den Auslastungsdaten. LBNL stellte fest, dass 47 % der industriellen und 50 % der gewerblichen Motorsysteme unterhalb von 75 % ihrer Volllast laufen. Die Behörde schätzte, dass die richtige Dimensionierung der Motoren oder der Einbau eines FU in beiden Sektoren zusammen 115.000 GWh pro Jahr einsparen könnte.

Als grobe Umrechnung ergibt 115.000 GWh, gleichmäßig auf 8.760 Stunden verteilt, im Mittel rund 13 GW. Das ist meine eigene Rechnung, keine LBNL-Zahl. Die Entlastung der Netzkapazität hängt von der zeitgleichen Spitzenlast ab, die eine jährliche Energiemenge nicht erfasst. „Gigawatt“ ist daher als Größenordnung zu verstehen, nicht als Prognose.

04Warum das für Netzanschlusswarteschlangen wichtig ist

Spectrums Argument lautet: Ein geringerer Motorbedarf würde Netzkapazität für Großverbraucher wie Rechenzentren und Elektrofahrzeuge freisetzen. Er würde auch Fabriken helfen, die von fossil befeuerter Wärme auf motorbasierte elektrifizierte Lösungen wie Wärmepumpen umsteigen, während die Industriestrompreise steigen. Spectrum ergänzt, dass die FU-Technik ausgereifter und kostengünstiger zu installieren sei als frühere Generationen.

Für einen Ingenieur, der vor einem engpassbehafteten Abgang oder Umspannwerk steht, ist der Vergleich mit angebotsseitigen Optionen aufschlussreich. Netzoptimierende Technologien wirken am Netz selbst:

Beide Ansätze ergänzen sich, sie konkurrieren nicht. Ein Gerät auf Übertragungsnetzebene kann an einem Umspannwerk 100 MW hinzufügen. Ein Umrichterprogramm verteilt sich auf Tausende Standorte und muss Motor für Motor gemessen werden. Sein Vorteil: Es braucht weder Genehmigungen des Netzbetreibers noch Trassenzugang. Es senkt außerdem die eigene Stromrechnung des Kunden und vermeidet, weil es kWh ebenso wie kW reduziert, die Erzeugung, die sonst nötig wäre.

05Was unbewiesen bleibt

Drei Punkte fallen auf. Erstens stammt ein Großteil der Belege für die Einsparungen aus technischen Modellen und herstellernahen Quellen. Die realisierten Einsparungen hängen von Lastprofil, statischer Förderhöhe und Regelungsqualität ab, daher sind Messung und Verifizierung wichtig. Zweitens ist der Netznutzen nicht automatisch gegeben. Lastreduktionen entlasten einen Engpass nur, wenn sie am richtigen Knoten und zu den richtigen Zeiten auftreten. Ein Abgang, der durch eine sommerliche Abendspitze begrenzt ist, profitiert nur, wenn die Motoren dann laufen. Drittens ist die Wirtschaftlichkeit der Einführung weiter ungeklärt. Spectrum weist darauf hin, dass Umrichter in der Regel nicht vorgeschrieben sind, und die LBNL-Daten legen nahe, dass die Hindernisse teils organisatorischer Natur sind.

Netzbetreiber und Regulierer stehen bei der Netzhardware vor einer Variante desselben Problems. Das Center on Global Energy Policy der Columbia University erklärt, der Einsatz netzoptimierender Technologien werde durch fehlgeleitete Anreize der Versorger, Hürden beim Datenzugang und eine Regulierung begrenzt, die kapitalintensive Investitionen belohnt. Die Lehre für die Nachfrageseite ist ähnlich. Die Hardware ist ausgereift, offen sind die Fragen, wer zahlt, wer das Ergebnis misst und wer sich die freigesetzte Kapazität sichert.