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Elektromagnetische Motoren sind die weltweit größten Energieverbraucher

von Adrian Perregaux

Dies liegt an der Energieumwandlung.

Die Energieumwandlung ist eine gängige menschliche Praxis, seit der erste Mensch zwei Steine zusammenschlug und einen Funken erzeugte. In diesem Fall nutzten sie kinetische Energie, um eine chemische Reaktion auszulösen, die schließlich Wärmeenergie erzeugte. Bei natürlichen Materialien wie Feuerstein und Pyrit hätte dies Zeit und Übung gebraucht, um die gewünschten Ergebnisse zu erzielen. Seitdem sind wir auf der Suche nach neuen Tools, um Innovationen zu entwickeln und Technologien zu verbessern. Mit jeder neuen Entdeckung verändert die Technologie die Art und Weise, wie wir unser tägliches Leben führen. Die meisten modernen Technologien haben eines gemeinsam: Sie benötigen Energie, in der Regel Strom, um ihre Funktion zu erfüllen. Der größte Teil dieser Energie wird über Kraftwerke in die nationalen Stromnetze eingespeist. Diese Stationen nutzen elektromagnetische Maschinen zur Energieumwandlung von fossilen, nuklearen, solaren, Wind- oder Wasserkraftquellen in Strom. 

Wie viel Energie verbrauchen wir?

Im Jahr 2020 verbrauchte die Welt mehr als 25 Petawattstunden Strom!  Diese Zahl besteht aus 25 und 15 Nullen!  Zwei Länder, China und die USA, waren für den Verbrauch von fast der Hälfte dieses Stroms verantwortlich.  China war für mehr als 7,5 Petawattstunden und die USA für mehr als 4,0 Petawattstunden verantwortlich.

Der Stromverbrauch ist zu gleichen Teilen unseren Wohnungen, Bürogebäuden und unseren verschiedenen Produktionsstätten zuzuordnen (1/3, 1/3, 1/3).  Ein typischer Haushalt in den USA verbraucht 1,0 Megawattstunden Strom pro Monat und 12,0 Megawattstunden über ein Jahr.  Die letzte Volkszählung zeigt, dass es in den USA 140 Millionen Haushalte gibt, die zusammen 1,6 Petawattstunden Strom pro Jahr verbrauchen.

Die Kohlenstoffkosten elektromagnetischer Maschinen

Der Energiebedarf elektromagnetischer Maschinen führt zu nachgelagerten Effekten, insbesondere zur Entstehung von CO2 -Emissionen.  „Elektromotoren und Systeme, die sie antreiben, sind der größte Einzelposten und machen mehr als 40 % des weltweiten Stromverbrauchs aus“, heißt es in dem Bericht der Internationalen Energieagentur.  Dieser Bericht geht davon aus, dass der Einsatz elektromagnetischer Motoren ohne politische Änderungen bis 2030 8570 Tonnen CO2 pro Jahr produzieren wird.

Infografik von Plots. Keine Informationen enthalten, nur stilistisch.

Kleine Veränderungen machen einen großen Unterschied

Wenn wir das enorme Ausmaß des Stromverbrauchs und die entsprechenden CO2-Emissionen betrachten, wird deutlich, dass wir als Weltzivilisation Praktiken einführen müssen, um sowohl den Stromverbrauch als auch die Stromverschwendung zu reduzieren.  Eine wichtige Möglichkeit, den Stromverbrauch zu reduzieren, ist die Technologie.  Zum Beispiel geben uns LED-Glühbirnen das gleiche Licht wie eine Glühbirne im alten Stil, aber mit 20 % des vorherigen Stromverbrauchs. Das ist eine Ersparnis von 80 % für jede Glühbirne!

Wenn es unser Ziel ist, den weltweiten Stromverbrauch zu senken, dann ist der Wirkungsgrad von Elektromotoren von enormer Bedeutung, da Motoren Teil so vieler Geräte sind.  Motoren finden sich in Kälteanlagen, Klimaanlagen, Pumpen, Kompressoren, Ventilatoren und vielem mehr, von Haartrocknern bis hin zu Schneefräsen, von Spielzeugzügen bis hin zu S-Bahnen.

Wenn wir den Wirkungsgrad jedes Elektromotors um nur 1 % verbessern können, dann bedeutet dies eine Einsparung von 0,10 Petawattstunden pro Jahr, und dies würde genug Strom für mehr als 8 Millionen Haushalte in den USA liefern!

Die Treiber des elektromagnetischen Wandels

Zusätzlich zu den wirtschaftlichen Vorteilen der Verbesserung der Effizienz von Elektromotoren verlangen staatliche und kommunale Vorschriften/Mandate höhere Wirkungsgrade.  In den USA zum Beispiel gibt es die Vorschriften DOE, EPA, EnergyGuide und Energy Star, die alle auf eine Verbesserung der Leistung von Elektromotoren drängen.

Der größte Anteil des Stromverbrauchs der Motoren entfällt auf Mittelmotoren mit Ausgangsleistungen zwischen 0,75 kW und 375 kW.  Diese Art von Motoren werden in HLK, Pumpen, Aufzügen, Förderbändern sowie in der industriellen Handhabung und Verarbeitung eingesetzt.  Diese Elektromotoren verbrauchen mehr Strom als Motoren in Maschinen anderer Größen (68 % der Gesamtmenge aller elektromagnetischen Motoren).

EU-Richtlinien zu elektromagnetischen Produkten

Wie elektromagnetische Maschinen uns retten könnten

Für Elektromotorenhersteller gibt es ein großes Potenzial, dieses globale Problem zu lösen. Dazu benötigen sie ausgefeilte Software-Tools, um ihre Entwürfe mit Simulationen zu „bauen und zu testen“ oder virtuell zu prototypisieren.  Simulationen ermöglichen es Konstrukteuren und Forschern, Konstruktionen mit höherer Effizienz zu minimalen Forschungskosten und in kürzester Zeit zu entwickeln.

Ein Elektromotor ist ein Energieumwandlungsgerät, das elektrische Energie in mechanische Energie umwandelt.  Die mechanische Energie wird dann verwendet, um eine gewünschte Aufgabe oder Arbeit auszuführen.  Die wichtigste Disziplin der Physik, die an einem Motor beteiligt ist, ist die Elektromagnetik oder EMAG.  Um jedoch Konstruktionen mit den höchstmöglichen Wirkungsgraden zu entwickeln, muss der Konstrukteur das Verhalten des Motors aus einer multiphysikalischen Perspektive überprüfen.

Elektromagnetische Konstruktionen, die mit Multiphysik-Lösungen optimiert wurden

Ein Multiphysikansatz ermöglicht es dem Konstrukteur, gleichzeitig eine Vielzahl potenzieller Anforderungen und Einschränkungen zu berücksichtigen uns so einen robusten Test- und Optimierungsprozess durchzuführen.  Ihre Untersuchungen können eine gekoppelte EMAG und eine thermische Simulation umfassen. Dadurch können sich die Materialien beim Aufheizen des Motors an die lokalen Temperaturverteilungen anpassen. Alternativ kann der Konstrukteur eine Kühlung hinzufügen, um die Hitze abzuführen und den Motor in einem sicheren Betriebsbereich zu halten.  Darüber hinaus können Überlegungen eine gekoppelte EMAG an die mechanische Simulation beinhalten. Dieser Prozess ermöglicht es dem Konstrukteur, mögliche Formänderungen der Komponenten zu überprüfen und die Haltbarkeit und Dynamik des Motors zu beurteilen.  Schließlich kann eine gekoppelte EMAG und akustische Simulation in Betracht gezogen werden. Auf diese Weise kann der Konstrukteur überprüfen, ob die Umwandlung von elektrischer in mechanische Energie dazu führen würde, dass der Motor während des Betriebs unerwünschte Geräusche erzeugt.  All diese Simulationen ermöglichen es dem Konstrukteur, Möglichkeiten zu erkunden und unerwünschtes Verhalten zu mildern, bevor er tatsächlich eine physische Probe baut.

Simulationsergebnis, das den Verzug an einem Gehäuse aufgrund unerwünschter Modi zeigt
Simulationsergebnis, das den Verzug am Gehäuse durch unerwünschte Modi zeigt

Diese Simulationen können mit einer Reihe von Softwaretools durchgeführt werden, die von Siemens Digital Industry Software entwickelt und bereitgestellt werden. Diese Tools sind als Teil des CAE-Produkts Simcenter verfügbar.  Die Simulation der einzelnen Physikdisziplinen ist eigenständig verfügbar oder kann als gekoppelte Simulation mit Interoperabilität kombiniert werden, die es ermöglicht, dass CAD-, Netz- und Physikergebnisse der Komponenten reibungslos auf Knopfdruck ausgetauscht werden können.

Wir hoffen, dass dieser Blog die Hersteller von Elektromotoren inspiriert und ihnen hilft, neue Tools zu überprüfen und zu übernehmen. Damit sie innovativ sein und neue Technologien entwickeln können, die den Wirkungsgrad ihrer Motoren verbessern.  Wir alle sollten darauf abzielen, die Menge an Strom, die wir verbrauchen, und unseren daraus resultierenden CO2-Fußabdruck zu reduzieren. Die Zukunft der Zivilisation hängt davon ab.

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