Korkeahyötysuhteisten sähkömoottorien hankinta

Korkeahyötysuhteisten sähkömoottorien hankinta Ei julkaista painotuotteena 1

Korkeahyötysuhteisten sähkömoottorien hankinta Tekijät: Katri Kuusinen ja Kari Bovellan, Electrowatt-Ekono Oy Copyright Motiva Oy, Helsinki, huhtikuu 2004 2

Esipuhe Tässä raportissa on esitelty sähkömoottorien CEMEP-hyötysuhdeluokitus, selvitetty korkeahyötysuhteisen moottorin hankinnan kannattavuuteen vaikuttavia tekijöitä ja arvioitu hankinnan kannattavuutta tavanomaiseen matalampihyötysuhteiseen moottoriin verrattuna erilaisissa tilanteissa ja erilaisilla käyttöajoilla. Raportin liitteenä on yritysten käyttöön muotoiltu sähkömoottorien hankintaohjeen liitteeksi tarkoitettu korkeahyötysuhteisten moottorien hankintasuositus, jossa työn johtopäätökset ja niiden soveltaminen on esitetty tiivistetysti. Työn on tilannut Motiva Oy. Motivassa työtä koordinoivat Janne Hietaniemi ja Heikki Härkönen. Electrowatt-Ekono Oy:ssä työhön ovat osallistuneet Katri Kuusinen, Kari Bovellan ja Kari Kuisma. Electrowatt-Ekono Oy, Käyttö ja kunnossapitopalvelut Kari Kuisma Johtaja Katri Kuusinen Projekti-insinööri 3

Sisällysluettelo Esipuhe 3 1 Lähtökohdat 5 1.1 Motiivit korkeahyötysuhteisten moottorien käytön lisäämiselle 5 1.2 Moottorin hyötysuhde ja hyötysuhdeluokituksen alkuperä 5 2 Korkeahyötysuhteinen moottori 7 2.1 Hyötysuhteen korottaminen 7 2.2 Hyötysuhteen korottamisen aikaansaamat edut 7 2.3 Hyötysuhteen korottamisen aiheuttamat ongelmat 8 2.4 Muut erot korkeahyötysuhteisten ja tavallisten moottorien välillä 8 3 Hyötysuhdeluokituksen soveltaminen 10 3.1 Hyötysuhdeluokitus 10 3.2 Hyötysuhdeluokituksen ulkopuolelle jäävät moottorit 12 4 Moottorin hyötysuhdeluokan valinta 13 4.1 Tarjonta Suomessa 13 4.2 Hinnat ja käyttökustannukset 13 5 Esimerkkilaskelmat 16 5.1 Kannattavuuslaskelmien oletukset 16 5.2 Laskentaesimerkit 19 Liite Korkeahyötysuhteisten sähkömoottorien hankintasuositus 22 1 Hankintaohjeen sovellusalue 22 2 Hankintaohjeen pääperiaate 22 3 Laskentamallit 23 4 Hyötysuhdetaulukko 25 4

1 Lähtökohdat 1.1 Motiivit korkeahyötysuhteisten moottorien käytön lisäämiselle Oikosulkumoottorit kuluttavat lähes 70 % kaikesta teollisuuden sähköenergiasta ja yli 35 % palvelusektorin käyttämästä sähköenergiasta. Alle 75 kw:n moottorien osuus teollisuuden sähkönkulutuksesta on noin 60 %. Teollisuuden osuus kaikesta Suomessa käytetystä sähköenergiasta oli 53 % vuonna 2002. Teollisuuden sähkönkulutusta voidaan vähentää tavanomaisten energiansäästötoimenpiteiden lisäksi tehostamalla sähkönkäyttöä mm. siirtymällä tehokkaampien moottorien käyttöön, lisäämällä taajuusmuuttajakäyttöjä ja mitoittamalla moottorit kuorman suhteen oikein. Korvaamalla kaikki nykyisin teollisuuden käytössä olevat huonoimman hyötysuhdeluokan EFF3-moottorit paremmilla EFF1- ja EFF2-luokan moottoreilla voitaisiin EU:n vuotuista sähköenergiankulutusta pienentää noin 6 TWh. Suomessa vastaava säästöpotentiaali on noin prosentti teollisuuden oikosulkumoottoreiden kulutuksesta, eli noin 300 GWh. Korkeahyötysuhteisen moottorin hankinta on useimmiten taloudellisesti kannattavaa, sillä moottorin synnyttämät sähkökustannukset ovat vuosittain tavallista moottoria pienemmät. Lisäksi huollontarve on vähäisempi ja käyttövarmuus parempi. 1.2 Moottorin hyötysuhde ja hyötysuhdeluokituksen alkuperä Moottorin hyötysuhde η määrittelee, kuinka suuren sähkötehon moottori ottaa sähköverkosta tuottaakseen nimellistehonsa verran mekaanista tehoa. Hyötysuhteen vaikutus moottorin ottotehoon ja energiankulutukseen on esitetty esimerkissä 1. Esimerkki 1. Hyötysuhteen vaikutus moottorin ottotehoon ja energiankulutukseen. 30 kw:n moottorin ottoteho ja energiankulutus täydellä kuormalla ja 6 000 h/a käyttöajalla: η = 91,4 % (EFF2) η = 93,7 % (EFF1) 30 kw / 0,914 = 32,8 kw 30 kw / 0,937 = 32,0 kw 32,8 kw 6 000 h/a = 196,9 MWh/a 32,0 kw 6 000 h/a = 192,1 MWh/a Kulutussäästö 196,9 192,1 MWh/a = 4,8 MWh/a 5

Markkinoilla olevien moottoreiden hyötysuhteissa on suuria eroja, ja näiden erojen selventämiseksi sekä sähköenergian kulutuksen pienentämiseksi on EU:ssa otettu käyttöön hyötysuhdeluokitus, jossa moottorit jaetaan kolmeen ryhmään (EFF1, EFF2 ja EFF3) hyötysuhteensa mukaan. Hyötysuhdeluokituksen on toteuttanut Euroopan sähkömoottorivalmistajien liitto CEMEP (European Committee for Manufacturers of Electrical Machines and Power Electronics) EU:n komission aloitteesta vuonna 1999. Hyötysuhdeluokituksen tavoitteena on vähentää sähköenergiankäytöstä erityisesti teollisuudelle aiheutuvia kustannuksia alentaa Euroopan energiankulutusta pienentää Euroopan CO 2 -päästöjä 6

2 Korkeahyötysuhteinen moottori 2.1 Hyötysuhteen korottaminen Hyötysuhdetta korotettaessa sähkömoottorin häviöitä pienennetään. Moottorissa syntyvät häviöt jaetaan viiteen luokkaan: virtalämpöhäviöihin, roottorin virtalämpöhäviöihin, rautahäviöihin, mekaanisiin häviöihin ja lisähäviöihin. Näiden häviöiden osuus moottorin kokonaishäviöistä muuttuu moottorin koon mukaan. Tästä syystä erikokoisten moottorien hyötysuhteen korottaminen vaatii erilaisia toimenpiteitä. Kuvassa 1 on esitetty esimerkinomaisesti erityyppisten häviöiden osuuksia eri kokoluokan moottoreilla. Häviöiden osuudet ovat erityyppisillä moottoreilla erilaiset, joten kuvan esimerkkiä ei voi soveltaa kaikkiin moottoreihin. Mekaaniset häviöt 1 % Lisähäviöt 1 % Lisähäviöt 20 % Rautahäviöt 23 % Roottorin virtalämpöhäviöt 15 % Staattorin virtalämpöhäviöt 60 % Mekaaniset häviöt 10 % Rautahäviöt 25 % Staattorin virtalämpöhäviöt 30 % Roottorin virtalämpöhäviöt 20 % Pienet moottorit < 7,5 kw Suuret moottorit 100 kw Kuva 1. Esimerkki erityyppisten häviöiden osuudesta tietyillä eri kokoluokan moottoreilla. Sähkömoottorin hyötysuhteen korottamiseen on useita erilaisia mahdollisuuksia. Häviöitä voidaan pienentää mm. lisäämällä aktiivisten osien (eli levypaketin ja johtimien) määrää ja käyttämällä entistä kehittyneempiä valmistus- ja materiaalitekniikoita. 2.2 Hyötysuhteen korottamisen aikaansaamat edut Korkeahyötysuhteisen moottorin käytön merkittävimmät edut tavalliseen moottoriin verrattuna ovat sähköenergiansäästö ja jatkuvasti pienemmät energiakustannukset. Korkeahyötysuhteisten moottorien käyttö tuo myös muita etuja, jotka koko käyttöikää tarkasteltaessa pienentävät käyttökustannuksia edelleen. Pienemmät lämpöhäviöt vähentävät 7

mm. eristeiden lämpökuormaa ja näin pidentävät niiden elinikää. Koko moottorin huollontarve on tavallista moottoria vähäisempi ja käyttövarmuus parempi. Moottorin aiemmasta pienentynyt virta pienentää samalla siirto- ja jakeluhäviöitä, jäähdytyksen tarvetta sekä tilaustehoa. Laaja korkeahyötysuhteisten moottorien käyttöön siirtyminen vapauttaa myös tuotantolaitoksen sisäistä sähkönsiirtokapasiteettia. Korkeahyötysuhteisten moottorien tehokerroin on yleensä korkeampi kuin tavanomaisilla moottoreilla ja moottorin virta pienempi. Korkeahyötysuhteiset moottorit kestävät jännitteenvaihteluita tavanomaisia moottoreita paremmin. 2.3 Hyötysuhteen korottamisen aiheuttamat ongelmat Korkeahyötysuhteisen moottorin valmistaminen edellyttää yleensä enemmän ja parempia materiaaleja sekä kehittyneempää ja tarkempaa valmistusprosessia. Nämä tekijät nostavat korkeahyötysuhteisen moottorin hinnan huonompihyötysuhteista moottoria korkeammaksi. Myös pienemmät valmistusmäärät saattavat joillakin valmistajilla korottaa korkeahyötysuhteisten moottorien hintaa. Tietyissä tapauksissa korkeahyötysuhteisen moottorin kierrosnopeus on hieman suurempi kuin perinteisen moottorin kierrosnopeus. Esimerkiksi suorissa puhallinkäytöissä (ja kuristetuissa pumppukäytöissä) korkeahyötysuhteisen moottorin suurempi kierrosluku kasvattaa affiniteettisäännön mukaisesti puhaltimen tehonottoa ja täten sähkönkulutusta. Tällaisessa tilanteessa puhaltimen tehokkuus ja tuotto paranee, mutta korkeahyötysuhteisen moottorin käyttö ei säästä energiaa. Vertailtaessa moottorivalmistajien ilmoittamia kierroslukuja EFF1- ja EFF2-moottoreiden välillä huomataan, että kokoluokassa 1,1 11 kw on noin 0 2 % ja kokoluokassa 15 90 kw noin 0 0,5 %. Kierrosnopeuden muutos eri hyötysuhteisten moottorien välillä riippuu suuresti moottorivalmistajasta. Toisinaan muutos saattaa olla jopa päinvastainen, jolloin EFF2-moottorin kierrosnopeus on suurempi kuin EFF1-moottorin. Mikäli moottorikäytössä on kierroslukusäätö esimerkiksi taajuusmuuttajaohjauksella, ei em. ongelmaa synny, vaan korkeahyötysuhteisen moottorin käyttö säästää aina energiaa tavanomaisen moottorin käyttöön verrattuna. 2.4 Muut erot korkeahyötysuhteisten ja tavallisten moottorien välillä Yllä esitettyjen erojen lisäksi korkeahyötysuhteisella ja tavallisella moottorilla ei ole muita merkittäviä eroja kuin paino. Suuremman aktiivisten osien määrän takia korkeahyötysuhteiset moottorit ovat usein jonkin verran tavallista moottoria painavampia. Painoero vaihtelee moottorityypistä, materiaalista ja kokoluokasta riippuen, mutta on yleensä välillä 5 50 %. Runkomateriaalit ja ulkomitat ovat toisiaan vastaavia ja korkeahyötysuhteinen moottori täyttää samat standardit kuin tavallinen moottori. Myöskään varaosien saatavuudessa ei ole eroa. Osakuormilla korkeahyötysuhteiset moottorien hyötysuhde muuttuu vastaavasti kuin perinteisillä moottoreilla. Moottorin hyötysuhde ei pienene merkittävästi ennen osakuorman laskemista alle 50 %:n nimellistehosta, kuten nähdään kuvasta 2. 8

100 90 80 70 Hyötysuhde (%) 60 50 40 30 20 10 0 1,1 kw 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 Osakuorma P/P n 4 kw 22 kw 45 kw Kuva 2. Nelinapaisen oikosulkumoottorin hyötysuhteen alenema osakuormatehoilla. 9

3 Hyötysuhdeluokituksen soveltaminen 3.1 Hyötysuhdeluokitus Hyötysuhdeluokitus koskee kaikkia moottoreita, jotka täyttävät seuraavat kriteerit: oikosulkumoottori kolmivaihevirtakäyttö jännite 400 V taajuus 50 Hz nimellisteho 1,1 90 kw 2- tai 4-napaisuus, ts. kierrosnopeus on 3 000 tai 1 500 r/min suojaus IP54 tai IP55 jatkuva käyttötapa S1 Suurin osa teollisuudessa käytössä olevista moottoreista kuuluu tähän ryhmään. Hyötysuhderajat ja valmistajien ilmoittamat hyötysuhdearvot määräytyvät kansainvälisen standardin IEC 60034-2 epäsuoran menetelmän perusteella. IEC 60034-2 on normaali Euroopassa myytävien oikosulkumoottorien hyötysuhdestandardi. Hyötysuhteiden mittaamiseen on käytettävissä myös muita standardeja, joiden perusteella määritetyt hyötysuhteet eivät ole suoraan vertailukelpoisia IEC 60034-2:n kanssa. Hyötysuhdeluokituksen raja-arvot on esitetty nimellistehon mukaan taulukossa 1 sekä kuvassa 3. 4-napaisten moottorien raja-arvot EFF1- ja EFF2-luokkien välillä ovat hieman 2- napaisten moottorien arvoja korkeammat. Sen sijaan raja-arvot EFF2- ja EFF3-luokkien välillä ovat molemmille moottorityypeille samat. 10

Taulukko 1. Oikosulkumoottorien hyötysuhdeluokituksen raja-arvot. 2-napaiset moottorit 4-napaiset moottorit Teho (kw) EFF3 (%) EFF2 (%) EFF1 (%) Teho (kw) EFF3 (%) EFF2 (%) EFF1 (%) 1,1 < 76,2 76,2 82,2 1,1 < 76,2 76,2 83,8 1,5 < 78,5 78,5 84,1 1,5 < 78,5 78,5 85,0 2,2 < 81,0 81,0 85,6 2,2 < 81,0 81,0 86,4 3,0 < 82,6 82,6 86,7 3,0 < 82,6 82,6 87,4 4,0 < 84,2 84,2 87,6 4,0 < 84,2 84,2 88,3 5,5 < 85,7 85,7 88,5 5,5 < 85,7 85,7 89,2 7,5 < 87,0 87,0 89,5 7,5 < 87,0 87,0 90,1 11,0 < 88,4 88,4 90,6 11,0 < 88,4 88,4 91,0 15,0 < 89,4 89,4 91,3 15,0 < 89,4 89,4 91,8 18,5 < 90,0 90,0 91,8 18,5 < 90,0 90,0 92,2 22,0 < 90,5 90,5 92,2 22,0 < 90,5 90,5 92,6 30,0 < 91,4 91,4 92,9 30,0 < 91,4 91,4 93,2 37,0 < 92,0 92,0 93,3 37,0 < 92,0 92,0 93,6 45,0 < 92,5 92,5 93,7 45,0 < 92,5 92,5 93,9 55,0 < 93,0 93,0 94,0 55,0 < 93,0 93,0 94,2 75,0 < 93,6 93,6 94,6 75,0 < 93,6 93,6 94,7 90,0 < 93,9 93,9 95,0 90,0 < 93,9 93,9 95,0 100 95 4-napaiset Hyötysuhde [%] 90 85 EFF2 EFF1 2-napaiset 80 EFF3 75 1 10 100 Moottoriteho [kw] Kuva 3. Hyötysuhdeluokkien raja-arvot eri moottoritehoilla. Taulukossa esitettyjen hyötysuhderajojen perusteella moottori saadaan luokiteltua, kun sen nimellisteho ja hyötysuhde ovat tiedossa, kuten on esitetty esimerkissä 2. 11

Esimerkki 2. Hyötysuhdetaulukon käyttäminen. 11 kw:n moottori, jonka hyötysuhde on 88,0 %, kuuluu EFF3-luokkaan. Jos sen hyötysuhde on 88,4 %, nousee moottori EFF2-luokkaan sekä 2- että 4-napaisena. 3 kw:n moottori sen sijaan kuuluu samalla hyötysuhteella EFF1-luokkaan. Hyötysuhde 92,0 % riittää nostamaan 2-napaisen 18,5 kw:n moottorin EFF1-luokkaan, mutta 4-napaisena se kuuluu EFF2-luokkaan. Hyötysuhdeluokitusta voidaan soveltaa teollisuudessa sopivaksi katsotulla tavalla. Osa yrityksistä on päättänyt hankkia ainoastaan EFF1-luokan moottoreita, toisissa taas on määritelty tarkemmin, missä tilanteissa kuhunkin luokkaan kuuluvan moottorin hankinta on kannattavaa. Tärkeää on saada moottoreiden hyötysuhteen huomioiminen osaksi normaalia hankintamenettelyä ja edesauttaa korkeahyötysuhteisten moottorien käytön lisääntymistä. Liitteenä on ehdotus korkeahyötysuhteisten moottorien hankintasuositukseksi, joka on tarkoitettu liitettäväksi varsinaiseen sähkömoottorien hankintaohjeeseen. Suurin osa teollisuuden moottorihankinnoista tehdään epäsuorasti laitteistotoimittajien kautta. Valmiina kokonaisuuksina hankittaviin osajärjestelmiin, tuotantolinjojen osiin ja koneikkoihin sisältyy yleensä myös sähkömoottoreita, joihin yrityksen erillishankintojen kriteerit eivät aina ulotu. Korkeahyötysuhteisten moottoreiden hankintaperiaate tulisikin ulottaa myös välillisesti hankittaviin moottoreihin ja sisällyttää tällaisten laitteistojen tarjouspyyntöihin. Hyötysuhteita ja muita markkinoilla olevien moottorien teknisiä tietoja on koottu EU- RODEEM-ohjelman moottoritietokantaan, jossa on yli 7 000 moottorin tiedot yhteensä 26 moottorivalmistajalta. Moottorien vertailua varten luotu EURODEEM-ohjelma ja moottoritietokanta ovat ilmaiseksi saatavilla internetissä osoitteessa: http://iamest.jrc.it/projects/eem/eurodeem.htm 3.2 Hyötysuhdeluokituksen ulkopuolelle jäävät moottorit Edellä mainittuun moottoreiden hyötysuhdeluokitukseen eivät sisälly mm. seuraavat moottorit tasavirtamoottorit liukurengasmoottorit nimellisteholtaan alle 1,1 tai yli 90 kw:n moottorit kierrosnopeudeltaan alle 1 500 r/min moottorit (6-, 8-, 10- ja 12-napaiset moottorit) kaksinopeusmoottorit erikoismoottorit (esim. räjähdyspaineen kestävät moottorit) Vaikka näiden moottorien hyötysuhteille ei ole asetettu luokittelurajoja, on hankinnan yhteydessä syytä kiinnittää huomiota hyötysuhteisiin. Erityisesti suuritehoisissa moottoreissa pienikin hyötysuhteen parannus tuo jatkuvassa käytössä merkittäviä säästöjä vuotuisiin energiakustannuksiin. Monilla moottorivalmistajilla on erillinen energiatehokkaiden moottorien mallisto, josta löytyy perusmoottoreita tehokkaampia malleja myös kokoluokaltaan luokittelun ulkopuolelle jäävistä oikosulkumoottoreista. 12

4 Moottorin hyötysuhdeluokan valinta 4.1 Tarjonta Suomessa Oikosulkumoottorien hyötysuhdeluokitus näyttää läpäisseen Suomen moottorimarkkinat melko näkyvästi. Suurimmilla moottorivalmistajilla ei ole enää tarjolla heikoimpaan EFF3- luokkaan kuuluvia koneita, vaan suurimpien moottorivalmistajien tarjonta on keskittynyt EFF2- ja EFF1-luokan koneisiin. Tämän takia tässä työssä on keskitytty selvittämään pääsääntöisesti kustannuseroja EFF1- ja EFF2-luokan moottorien välillä. 4.2 Hinnat ja käyttökustannukset Moottorien hinta on listahinnastoissa lähes suoraan verrannollinen nimellistehoon. Eri valmistajien moottoreiden hinnat vaihtelevat jonkin verran ja myös samalla valmistajalla samankokoisten moottorien hinnoissa on eroa runkomateriaalista, mallista ja hyötysuhteesta riippuen. Suurasiakkaat eivät yleensä maksa listahintoja, vaan sähkömoottorialalla on yleisesti käytössä erilaisia alennusprosentteja erilaisille asiakkaille. Sama alennusprosentti on normaalisti käytössä moottorin hyötysuhdeluokasta riippumatta. Työn lähdeaineistossa käytettiin useampien suurten moottorivalmistajien listahinnastoja. Moottorien käyttöikä on moottorin koosta riippuvainen. Käyttöiäksi pienimmillä moottoreilla arvioidaan keskimäärin 15 vuotta, mutta moottorin koon kasvaessa käyttöikä kasvaa, ja tehon lähestyessä 90 kw:a on arvioitu käyttöikä jo lähes 30 vuotta. Moottorien hinta on sidoksissa moottorimalliin ja materiaaliin. Tässä asiakirjassa esitetyt hinnat ovat B3-mallin (jalkamoottori/tassuilla) hintoja. B5-mallin (laippamoottori) hinnat ovat normaalisti hieman korkeammat. Hintaero on alhaisimmillaan suuritehoisilla ( 75 kw) moottoreilla, joilla se voi saman valmistajan koneissa EFF1- ja EFF2-hyötysuhdeluokkien välillä olla jopa vain 5 %. Korkeimmillaan hintaero on pienillä ( 3 kw) moottoreilla, joilla se voi saman valmistajan koneissa olla jopa 40 %. Yleisimmin hintaero saman valmistajan moottoreissa on välillä 10 30 %. Pienillä moottoreilla hyötysuhteiden ero eri hyötysuhdeluokkien välillä on merkittävin (useita prosenttiyksikköjä), mikä voidaan nähdä tarkasteltaessa kuvaa 2. Erityisesti tässä ryhmässä tulisikin kiinnittää huomiota EFF2-luokan moottoreiden todellisiin hyötysuhteisiin, sillä lähellä hyötysuhdeluokan ylärajaa olevan moottorin hyötysuhde on huomattavasti parempi kuin lähelle alarajaa sijoittuvan moottorin. Sähkömoottorin investointi on normaalisti murto-osa käyttöiän kokonaiskustannuksista, kuten on esitetty taulukossa 2. 13

Taulukko 2. Investoinnin osuus moottorin käyttöiän kokonaiskustannuksista. Oletuksena laitevalmistajien listahinnat ilman alennuksia ja sähkön hinta 50 /MWh. Laskentakorko on 5 %. Vuotuinen Teho käyttöaika (h/a) 1,1 3 kw (15 a) 3 11 kw (18 a) 11 90 kw (24 a) 2 000 9 21 % 7 15 % 6 10 % 4 000 5 13 % 4 8 % 3 5 % 6 000 3 9 % 2 6 % 2 4 % 8 000 3 7 % 1,8 4 % 1,4 3 % Koska taulukon 2 laskelmissa ei ole huomioitu alennuksia valmistajien ilmoittamiin listahintoihin, voidaan olettaa investoinnin osuuden olevan todellisuudessa vielä taulukossa esitettyä pienempi koko käyttöikää tarkasteltaessa. Kuvissa 4 ja 5 on esitetty moottorin elinikäiset kustannukset kahdessa eri kokoluokassa kolmella eri sähkönhinnalla. Käyttöiän kustannuksissa on huomioitu vain investointi- ja sähkökustannukset, joten mm. huoltokustannukset eivät sisälly kuvien tilanteeseen. Kuvissa ei myöskään ole huomioitu sähkön hinnan muutosta käyttöiän aikana. Sähkön hinnannousu tarkasteluaikana kasvattaa käyttökustannuksia ja siten kokonaiskustannuseroa korkeahyötysuhteisen moottorin hyväksi. 12 000 70 /MWh 50 /MWh 30 /MWh Kokonaiskustannukset [ ] 10 000 8 000 6 000 4 000 2 000 Investointi Sähkökustannus 0 EFF1 EFF2 EFF1 EFF2 EFF1 EFF2 Kuva 4. 2,2 kw:n EFF1- ja EFF2-moottorien käyttöiän kustannusten jakautuminen käyttöajalla 5 000 h/a sähkön hinnan muuttuessa. Moottorin käyttöiäksi on oletettu 15 vuotta. Kustannukset on diskontattu nykyhetkeen 5 %:n korolla. 14

Kokonaiskustannukset 100 % 90 % 80 % 70 % 60 % 50 % 40 % 30 % 20 % 10 % Investointi Sähkökustannus 0 % 70 50 30 Sähkön hinta [ /MWh] Kuva 5. 45 kw:n EFF1-moottorin käyttöiän kustannusten jakautuminen käyttöajalla 5 000 h/a sähkön hinnan muuttuessa. Moottorin käyttöiäksi on oletettu 24 vuotta. Kustannukset on diskontattu nykyhetkeen 5 %:n korolla. Kuvista nähdään, että vaikka investointihinnasta olisi saatavissa suurikin alennus, sen merkitys koko käyttöiän kustannuksissa on vähäinen. 15

5 Esimerkkilaskelmat 5.1 Kannattavuuslaskelmien oletukset Moottori-investoinnin kannattavuuteen vaikuttavat monet tekijät, jotka ovat eri toimijoilla ja eri käyttökohteissa erilaisia. Näitä ovat mm. investointihinta, johon vaikuttaa moottorin hyötysuhde asiakkuussuhde eli alennusprosentti listahinnoista sähkön hinta ja hinnan kehitys tulevaisuudessa moottorin käyttötunnit käyttökuorma moottorikäyttö ja säätötapa investoinnille laskettava korko moottorin käyttöikä yleiset investoinnin kannattavuudelle asetettavat kriteerit Moottorien hintoina on tässä työssä käytetty valmistajien ilmoittamia listahintoja, vaikka asiakkuudesta ja moottorin kokoluokasta riippuen alennusprosentit saattavat olla jopa 40 60 %. Työtä varten oli käytettävissä useiden moottorivalmistajien hinnastoja. Alla olevissa kuvissa on yleensä tarkasteltu kalleimman EFF1-moottorin ja edullisimman EFF2-moottorin hintaeroa. Useimmiten investointiero on pienempi ja näin ollen EFF1-moottorin hankinnan kannattavuus esitettyä parempi. Listahinnoista saatava alennus pienentää hintaeroa edelleen. Voidaankin olettaa, että todellisuudessa EFF1-moottorin hankinta on aina jonkin verran kuvissa esitettyä kannattavampaa. Kuvassa 6 on esitetty laskentakoron ja listahinnoista saatavan alennuksen vaikutus hankinnan kannattavuuteen. 16

5000 Käyttöaika [h/a] 4000 3000 2000 Ale 0%, korko 5% Ale 0%, korko 3% Ale 0%, korko 0 % Ale 30%, korko 5% Ale 30%, korko 3% 1000 1 10 100 Moottorin nimellisteho [kw] Kuva 6. Laskentakoron ja listahinnoista saatavan alennuksen vaikutus hankinnan kannattavuuteen sähkön hinnalla 50 /MWh. Laskelmissa on pääsääntöisesti käytetty sähkön hintana kolmea eri hintaa. Energiamarkkinaviraston julkaisema keskisuuren teollisuuden sähkön hinta oli vuoden 2003 syksyllä 70,8 /MWh. Laskelmissa käytetyt hinnat ovat 70, 50 ja 30 /MWh. Kuvien perusteena olevissa laskelmissa moottori käy nimellisteholla eli täydellä kuormalla. Kuvissa 7 ja 8 on esitetty listahinnoilla hankittavien EFF1-moottorien kannattavuusrajat vuotuisina käyttötunteina eri sähkönhinnoilla kokoluokan mukaan 2- ja 4-napaisille moottoreille. Käyrästöt on laadittu investointieron positiivisen nettonykyarvon vaatiman vuotuisen käyttöajan mukaan. Alle 1 000 h/a käyttöaikoja ei tarkasteltu. Esimerkki 3. Käyrästökuvien tulkinta. K: Onko kannattavaa hankkia EFF1-luokan moottori, kun moottorin nimellisteho on 5,5 kw, kierrosnopeus 3 000 r/min, vuotuinen käyttöaika noin 2 000 h/a ja sähkön hinta 45 /MWh? V: Kierrosnopeudeltaan 3 000 r/min moottoreita koskeva käyrästö on esitetty kuvassa 7. Kuvan vaaka-akselilta valitaan 5 ja 6 kw:n puoliväli, joka on kuvaan merkitty pystykatkoviivalla. Sähkönhinta 45 /MWh asettuu hieman 50 /MWh-käyrän yläpuolelle. Silmämääräisesti arvioiden 5,5 kw:n teho leikkaa 45 /MWh-hintakäyrän juuri käyttöajalla 2 000 h/a. Käyrissä on huomioitu investoinnille 5 %:n vuosikorko. Näin ollen EFF1-moottorin hankinta on kokonaiskäyttöiän aikana syntyviä kustannuksia tarkastellen kannattavaa, vaikka moottori ostettaisiin listahinnalla. Jos moottoria käytetään pienillä osakuormilla, hankinnan kannattavuus on epävarmempi ja syytä tarkistaa laskemalla. 17

8000 7000 30 /MWh Käyttöaika [h/a] 6000 5000 4000 3000 50 /MWh 2000 70 /MWh 1000 1 10 100 Moottoriteho [kw] Kuva 7. Vuotuiset käyttötunnit, joilla 2-napainen EFF1-moottorin hankinta maksaa itsensä takaisin moottorin käyttöiän aikana käytettäessä kolmea eri sähkön hintaa. Investointihinnat ovat listahintoja (paitsi katkoviivalla merkitty 30 %) ja moottorien käyttöiäksi on arvioitu koon mukaan 15 24 vuotta. Vuotuiset kustannussäästöt on diskontattu nykyhetkeen 5 %:n korolla. 8000 Käyttöaika [h/a] 7000 6000 5000 4000 3000 50 /MWh 30 /MWh 2000 1000 70 /MWh 1 10 100 Moottoriteho [kw] Kuva 8. Vuotuiset käyttötunnit, joilla 4-napainen EFF1-moottorin hankinta maksaa itsensä takaisin moottorin käyttöiän aikana käytettäessä kolmea eri sähkön hintaa. Investointihinnat ovat listahintoja (paitsi katkoviivalla merkitty 30 %) ja moottorien käyttöiäksi on arvioitu koon mukaan 15 24 vuotta. Vuotuiset kustannussäästöt on diskontattu nykyhetkeen 5 %:n korolla. 18

Kuvista nähdään, että investoinnin kannattavuus vaihtelee voimakkaasti moottorin kokoluokan mukaan. Käyrästöjen havaittava nousu nimellistehon 10 kw jälkeen johtuu siitä, että tästä kokoluokasta eteenpäin on tarjolla alkaa olla myös EFF1-luokan valurautamoottoreita, ja hintaerot valurautamoottoreilla olivat lähdeaineistossa suurempia kuin alumiinimoottoreilla. Sähkön hinnalla ja investoinnin suuruudella on merkittävä vaikutus investoinnin kannattavuuteen. Kuvista voidaan päätellä, että esimerkiksi sähkön hinnalla 50 /MWh kierrosnopeudeltaan 1 500 r/min moottori kannattaa yleensä hankkia EFF1-hyötysuhdeluokasta EFF2:n sijaan silloin, kun vuotuiset käyttötunnit ovat vähintään 4 000 h/a. Useissa kokoluokissa riittävät vähäisemmätkin vuotuiset käyttötunnit. 30 %:n alennuksella listahinnoista kannattavuusraja asettuu useimmissa kokoluokissa myös 30 /MWh:n sähkönhinnalla noin 4 000 tunnin käyttöaikaan vuodessa. Sähkön hinnalla 70 /MWh moottorien käyttöaikojen ei tarvitse olla kuin 2 500 3 500 h/a, jotta EFF1-moottorin hankinta on listahinnoilla kannattava. Kuvissa ei ole huomioitu sähkön hinnan kehitystä moottorin käyttöiän aikana. Sähkön hinnannousu parantaa aina korkeahyötysuhteisen moottorin hankinnan kannattavuutta. Suunniteltaessa suorakäyttöisen matalahyötysuhteisen moottorin korvaamista EFF1- moottorilla tulee myös huomioida mahdollinen kierrosnopeuden kasvu ja sen vaikutus moottorikäyttöön. Mikäli kyseessä on suora puhallinkäyttö tai kuristettu pumppukäyttö, on moottorivertailun yhteydessä syytä tarkistaa, onko uuden suunnitellun moottorin kierrosnopeus entisestä poikkeava ja arvioida vaikutus puhaltimen tai pumpun tehonottoon moottorin hyötysuhteen parantamisen kokonaisvaikutuksien arvioimiseksi. Useista muuttujista johtuen ei ole mahdollista antaa yleispätevää ohjeistusta siitä, missä kaikissa tilanteissa korkeahyötysuhteisen moottorin hankinta on kannattavaa. Tässä luvussa esitetyissä kaavioissa on kuitenkin esitetty keskimääräisiä käyttötuntiarvioita, joilla korkeahyötysuhteisen moottorin hankinta on kannattavaa muutamilla eri sähkön hinnoilla. Kunkin hankinnan todellinen kannattavuus on kuitenkin aina ensisijaisesti sidoksissa niiden tiettyjen moottorien hintoihin, hyötysuhteisiin ja käyttötapoihin, joiden välillä valintaa ollaan tekemässä, ja tästä syystä kannattavuus on syytä tarkistaa laskentaesimerkin mukaisesti. 5.2 Laskentaesimerkit Korkeahyötysuhteisen moottorin investoinnin kannattavuuden laskentaan tarvitaan seuraavat tiedot: moottorien investointihinnat, I k ja I p (korkeahyötysuhteinen moottori ja perusvaihtoehto) ( ) sähkön hinta, S ( ) moottorin teho, P (kw) moottorien hyötysuhteet, η k ja η p (korkeahyötysuhteinen moottori ja perusvaihtoehto) (esim. 92 % eli 0,92) moottorin vuotuinen käyttöaika, A (h/a) moottorin osakuormakerroin, k (esim. 75 % eli 0,75) moottorin (arvioitu) käyttöikä, T (a) laskennassa käytettävä korkotaso, r (esim. 5 % eli 0,05) 19

Moottorin käyttöiän aikana investoinnista ja sähkönkulutuksesta syntyvät kustannukset, K, lasketaan ilman korkoa kaavalla K P = I + k A S T η Laskentakorko huomioidaan diskonttaamalla käyttöiän aikana syntyvät vuotuiset kustannukset nykyarvoon diskonttaustekijällä d = 1/a. Mikäli käytettävissä ei ole annuiteettitekijätaulukkoa, d voidaan laskea kaavasta d 1 1 = 1 T ( 1+ r) r Esimerkkilaskelmissa lasketaan moottorien käyttöiän kustannuksia sekä eri hyötysuhteisten moottorien suoraa takaisinmaksuaikaa. Esimerkki 4. Kannattavuuslaskelma 22 kw:n moottorin hankinnasta sähkön hinnalla 50 /MWh ilman laskentakorkoa. Valurautainen moottori P = 22 kw Käyttöaika A = 5 000 h/a Sähkön hinta S = 50 /MWh = 0,05 /kwh Moottorin käyttöikä T = 25 a Kuormakerroin k = 0,80 Hyötysuhteet η k = 0,941, η p = 0,920 Hinnat I k = 3 080, I p = 2 560 Käyttöiän aikana syntyvät kustannukset eri moottorivaihtoehdoilla: K K k P 22 kw = Ik + k A S T = 3 080 + 0,8 5 000 h / a 0,05 / kwh 25 a η 0,941 k = 3 080 + 116 897 = 119 977 p P 22 kw = I p + k A S T = 2 560 + 0,8 5 000 h / a 0,05 / kwh 25 a η 0,92 p 2 560 + 119 565 = 122 125 Koska K p on suurempi kuin K k on hankinta kannattava. 25 vuoden käyttöajalla korkeahyötysuhteisen moottorin käyttö säästää kustannuksia vähintään 2 148, eli yli nelinkertaisesti moottorien hintaeroon nähden. 20

Esimerkki 5. Kannattavuuslaskelma 22 kw:n moottorin hankinnasta sähkön hinnalla 50 /MWh ja laskentakorolla 5 %. Valurautainen moottori P = 22 kw Käyttöaika A = 5 000 h/a Sähkön hinta S = 50 /MWh = 0,05 /kwh Moottorin käyttöikä T = 25 a Kuormakerroin k = 0,80 Hyötysuhteet η k = 0,941, η p = 0,920 Hinnat I k = 3 080, I p = 2 560 Korko r = 4 % = 0,04 Þ annuiteettikerroin a 25 = 0,0640 Diskonttaustekijä lasketaan esimerkissä sekä valmista annuiteettikerrointa käyttämällä että koron ja käyttöiän avulla. Käyttöiän aikana syntyvät kustannukset eri moottorivaihtoehdoilla: K k = I k P 1 P + d k A S = k A S η a η k 1 22 kw = 3 080 + 0,8 5 000 h / a 0,05 / kwh 0,0640 0,941 = 3 080 + 15,622 4 676 = 76 129 k K p = I p + 1 1 ( 1+ r) T 1 P k A S r η 1 1 22 kw = 2 560 + 1 0,8 25 ( 1+ 0,04) 0,04 0,92 = 2 560 + 15,622 4 783 = 77 274 p 5 000 h / a 0,05 / kwh Koska K p on suurempi kuin K k on hankinta kannattava. 25 vuoden käyttöajalla korkeahyötysuhteisen moottorin käyttö säästää kustannuksia vähintään 1145. Esimerkki 6. Investointieron suora takaisinmaksuaika. Valurautamoottori P = 55 kw Osakuormakerroin k = 0,8 Käyttöaika A = 5 000 h/a Sähkön hinta S = 50 /MWh = 0,05 /kwh Investointihintojen ero I k I p = 570 Hyötysuhteet η k = 0,953, η p = 0,936 T I k I = S k P A 570 p TM = = 2, 7 ( 1 1 1 1 η ) 0,05 / kwh 0,8 55 kw 5 000 h / a ( ) k η k 0,936 0,953 a 21

Liite Korkeahyötysuhteisten sähkömoottorien hankintasuositus Tarkoitettu liitettäväksi sähkömoottorien hankintaohjeeseen ja muihin hankintaohjeisiin Sovelletaan yrityksen suorissa moottorihankinnoissa sekä laitteistokokonaisuuksien toimituksissa ja alihankinnoissa 1 Hankintaohjeen sovellusalue Hankintaohjetta sovelletaan kaikkiin teholtaan 1,1 90 kw:n oikosulkumoottoreihin, jotka täyttävät seuraavat kriteerit: kolmivaihevirtakäyttö jännite 400 V taajuus 50 Hz 2- tai 4-napaisuus, ts. kierrosnopeus on 3 000 tai 1 500 r/min suojaus IP54 tai IP55 2 Hankintaohjeen pääperiaate Sähkömoottorit hankitaan pääsääntöisesti hyötysuhdeluokasta EFF1. Jos hankintatilanteeseen pätee jokin seuraavista kohdista, hankinnan kannattavuutta tarkastellaan erikseen laskentamallin mukaisesti. moottorin käyttöaika on alle 3 000 h/a ja sähkön hinta noin (tai alle) 70 /MWh moottorin käyttöaika on alle 4 000 h/a sähkön hinta noin (tai alle) 50 /MWh moottorin käyttöaika on alle 6 000 h/a ja sähkön hinta noin (tai alle) 30 /MWh Mikäli moottorivalmistajien listahinnastoista on saatavissa alennusta, käyttötuntirajat asettuvat alemmaksi. Esimerkiksi 30 %:n alennuksella listahinnoista on EFF1-moottorin hankinta kannattavaa, jos moottorin vuotuinen käyttöaika on vain 4 500 h/a ja sähkön hinta noin 30 /MWh. Mikäli moottorikäyttö ei ole kierroslukusäädetty, vaan kyseessä on suora puhallin-käyttö tai kuristettu pumppukäyttö, tarkistetaan, onko EFF1-moottorin kierrosnopeus suurempi kuin vaihtoehtoisen moottorin. Suurempi kierrosnopeus kasvattaa suorakäyttöisen puhaltimen/pumpun tuottoa, mutta myös tehonottoa ja energiankulutusta ja korkeahyötysuhteisen moottorin hankinnan kannattavuus on selvitettävä erikseen. 22

3 Laskentamallit Tärkeimmät tekijät verrattaessa hyötysuhdeluokkaan EFF1 kuuluvan sähkömoottorin hankinnan kannattavuutta EFF2- tai EFF3-moottorin hankintaan ovat sähkön hinta investointieron suuruus hyötysuhteiden ero moottorin käyttöaika laskentakorko EFF1-moottorin valintaa puoltavat yleisesti mm. tavanomaista moottoria parempi käyttövarmuus, vähäisempi huollontarve ja pidempi elinikä. EFF1-moottorin hankinnan kannattavuutta parantavat korkea sähkön hinta, investointihintojen pieni ero, hyötysuhteiden suuri ero ja moottorin pitkä vuotuinen käyttöaika. Laskentakaavat Moottorin käyttöiän aikana investoinnista ja sähkönkulutuksesta syntyvät kokonaiskustannukset, KK, lasketaan kaavalla: K P = I + k A S T η (koroton) tai P K = I + dt k A S η (korollinen) Vastaavasti moottorin käytön vuosikustannus lasketaan kaavalla: V = I T P + k A S η P (koroton) tai V = I a + k A S (korollinen) η Mikäli korkeahyötysuhteisen moottorin käyttöiän aikainen kokonaiskustannus on pienempi kuin tavallisen, alempihyötysuhteisen moottorin, on korkeahyötysuhteisen moottorin hankinta kannattavaa. Ts. K p K k > 0. Kannattavuutta voidaan vertailla myös vuosikustannusten eroa laskemalla, jolloin hankinta on vastaavasti kannattava, mikäli V p V k > 0. Investointieron takaisinmaksuaika vuosina lasketaan ilman korkoa kaavalla T = I k I S k P A p ( 1 1 ) η k η k 23

Laskentakaavojen symbolit Vertailtavilla moottoreilla erilaiset arvot: K = Kokonaiskustannus ( ): K p = perusvaihtoehto ja K k = korkeahyötysuhteinen V = Vuosikustannus ( ): V p = perusvaihtoehto ja V k = korkeahyötysuhteinen I = Investointihinta ( ): I p = perusvaihtoehto ja I k = korkeahyötysuhteinen η = hyötysuhde (esim. 92,1 % = 0,921): η p = perusvaihtoehto ja η k = korkeahyötysuhteinen Vertailtavilla moottoreilla samanlaiset arvot: k = osakuormakerroin (esim. 80 % = 0,8) P = nimellisteho (kw) A = käyttöaika (h/a) T = käyttöikä (a) S = sähkön hinta ( /kwh) r = korko (esim. 6 % = 0,06) a = annuiteettikerroin, saatavissa taulukosta tai kaavasta a T = r/[1 1/(1 + r) T ] d T = diskonttauskerroin takaisinmaksuajalla T, d = 1/a T = [1 1/(1 + r) T ]/r 24

4 Hyötysuhdetaulukko Taulukossa ja kuvassa on esitetty hyötysuhdeluokkien väliset raja-arvot. 2-napaiset moottorit 4-napaiset moottorit Teho (kw) EFF3 (%) EFF2 (%) EFF1 (%) Teho (kw) EFF3 (%) EFF2 (%) EFF1 (%) 1,1 < 76,2 76,2 82,2 1,1 < 76,2 76,2 83,8 1,5 < 78,5 78,5 84,1 1,5 < 78,5 78,5 85,0 2,2 < 81,0 81,0 85,6 2,2 < 81,0 81,0 86,4 3,0 < 82,6 82,6 86,7 3,0 < 82,6 82,6 87,4 4,0 < 84,2 84,2 87,6 4,0 < 84,2 84,2 88,3 5,5 < 85,7 85,7 88,5 5,5 < 85,7 85,7 89,2 7,5 < 87,0 87,0 89,5 7,5 < 87,0 87,0 90,1 11,0 < 88,4 88,4 90,6 11,0 < 88,4 88,4 91,0 15,0 < 89,4 89,4 91,3 15,0 < 89,4 89,4 91,8 18,5 < 90,0 90,0 91,8 18,5 < 90,0 90,0 92,2 22,0 < 90,5 90,5 92,2 22,0 < 90,5 90,5 92,6 30,0 < 91,4 91,4 92,9 30,0 < 91,4 91,4 93,2 37,0 < 92,0 92,0 93,3 37,0 < 92,0 92,0 93,6 45,0 < 92,5 92,5 93,7 45,0 < 92,5 92,5 93,9 55,0 < 93,0 93,0 94,0 55,0 < 93,0 93,0 94,2 75,0 < 93,6 93,6 94,6 75,0 < 93,6 93,6 94,7 90,0 < 93,9 93,9 95,0 90,0 < 93,9 93,9 95,0 100 95 4-napaiset Hyötysuhde [%] 90 85 EFF2 EFF1 2-napaiset 80 EFF3 75 1 10 Moottoriteho [kw] 100 25