Die Umwandlung einer Energieart in eine andere ist nie hundertprozentig: Jeder Wandlungsprozess geht mit Verlust einher. Zwar muss auch dieser Anteil bezahlt werden, zum nutzbaren Ergebnis trägt er aber nichts bei. Seit dem Bau der ersten Elektromotoren um 1880 lag das Entwicklungsziel bei jeder Neukonstruktion deshalb stets beim effizienten Materialeinsatz, sicherte das doch die Wettbewerbsfähigkeit. Trotz gleicher Abgabeleistung fanden die Ingenieure und Techniker dabei immer neue Wege, Elektromotoren mit insgesamt weniger, aber besserem Material zu bauen. Hilfreich war da die Weiterentwicklung verfügbarer Bauteile: höhere Blechqualität und geringere Blechdicke, fortschrittliche Berechnungs- und Simulationsmethoden und veränderte Herstellungsprozesse.
Effizienz als Kriterium
Um die Jahrtausendwende fand dann ein Wandel statt. Neben der Wirtschaftlichkeit der Materialmenge rückte mehr und mehr die Energieeffizienz ins Zentrum. Die Wiederentdeckung des Wirkungsgrades von Elektromotoren als Entscheidungskriterium stellte Herausforderungen an Produzenten. Schnell wurde klar, dass ein höherer Wirkungsgrad und der Einsatz entsprechender Werkstoffe mit einem höheren Verkaufspreis einhergehen. In den folgenden Jahren wurde es dem Europäischen Markt überlassen, die Energieeffizienz freiwillig zu berücksichtigen -jedoch war der Gesetzgeber mit dem Anteil freiwilliger Nutzer nicht zufrieden. Die wirtschaftlichen Rahmenbedingungen verhinderten den großflächigen Erfolg und Absatz der Motoren mit erhöhten Wirkungsgraden.
Um einen fairen Wettbewerb mit vergleichbaren Produkten sicherzustellen, verfasste und verabschiedete die Industrie Normen mit den Wirkungsgradkassen IE1 bis IE4 für den Betrieb von Elektromotoren am Netz. Basierend auf ihnen verabschiedete Europa 2009 das erste Gesetz, das den Mindestwirkungsgrad von Elektromotoren vorgab. Indes wurde in dieser Verordnung nicht nur eine Stufe vorgegeben, sondern auch eine zeitlich gestaffelte Erhöhung des Mindestwirkungsgrades. Für die betroffenen Motoren wurde zudem ein Leistungsbereich festgeschrieben.
Die vielen bereits umgesetzten Elektromotoren-Lösungen führten zu einigen Ausnahmen vom Gesetz. Der Gesetzgeber beanspruchte in der Folge, die Weiterentwicklung der Materialen und Prozesse fortzusetzen. 2011 forderte er die Industrie auf, Produkte schon mit dem Mindestwirkungsgrad IE2 anzubieten. Es folgte ein Zeitfenster von sechs Jahren, um den Wechsel zu IE3 zu vollziehen.
Weniger Ausnahmen
Mit dem 2017 Erreichten gab sich die EU aber nicht zufrieden: 2019 wurde das Gesetz ergänzt und ausgeweitet. Neben weniger Ausnahmen und damit festgelegten Mindestgrenzwerten für weitere Motoren wurde für einige Motorleistungen gesteigerte Effizienz auf den IE4-Level vorgegeben. Das war im Juli 2021. In diesem Jahr – auf den Tag genau zwei Jahre später – trat die letzte Stufe mit dem IE4-Level für 75-200kW des aktuellen Gesetzes in Kraft.
Gesetzliche Wirkungsgradvorgaben
Stellt man die Entwicklung der letzten zehn bis 15 Jahre nebeneinander, wird deutlich, dass der Effizienzgedanke die Konstruktion bestimmt. Bei gleicher Leistung ist der Motor allerdings gewachsen und stellt damit eine Herausforderung beim Einbau in Maschinen und Anlagen dar. Am Beispiel eines 7,5kW-Elektromotors für IE4 zeigt sich, dass sowohl die Größe des Motors als auch die Menge des eingesetzten Materials um fast 75% gestiegen ist. Der Gesetzgeber gibt den Mindestwirkungsgrad vor und überlässt die Umsetzung den Produzenten, während Marktkräfte für den nötigen Preis und den wirtschaftliche Ertrag sorgen. Vereinzelte nationale Fördermaßnahmen sind da nur Tropfen auf dem heißen Stein.