プレミアム効率は、特定の種類の電気モーター（回転軸付き）に関して使用される場合、モーター効率のクラスです

エネルギー消費、CO2排出量、そして産業活動による環境への影響を削減するための世界的な協調的取り組みの一環として、多くの国の様々な規制当局が、より高効率な電動モーターの製造と使用を促進するための法律を導入、または計画しています。この記事では、プレミアム効率基準（IE3）とプレミアム効率モーター（PEM）の開発、そして関連する環境、法律、エネルギー関連のトピックについて考察します。

歴史

石油危機と、世界的な電力、電力需要の増加、そしてそれに伴う発電所の増加により、省エネ意識が高まりました。

1992年、米国議会はエネルギー政策法（EPAct）の一環として、電気モーターの最低効率レベル（表B-1参照）[曖昧]を設定しました。 [1]

1998年、欧州電気機械・電力システム製造業者委員会（CEMEP）は、モーターメーカーによる効率分類に関する自主協定を発行し、3つの効率クラスを設定しました。[2]

  • 高効率：Eff 1
  • 標準効率：Eff 2
  • 低効率：Eff 3

プレミアム効率電気モーター

ここで説明する「プレミアム効率」という用語は、モーター効率のクラスに関連しています。EU、米国、その他の国では、特定の機器におけるプレミアム効率のかご形誘導モーターの将来的な使用義務に関する法律が制定されているため、モーターに関連するこの用語を導入する必要があると考えられています。

エネルギー消費とCO2排出量の削減

モーターの使用と、プレミアム効率または高効率モーターを使用する利点に関して、いくつかの発言がなされています。これらには以下が含まれます。

米国エネルギー省のデータに基づくと、全米電機工業会（NEMA）のプレミアム効率モータープログラムは、今後10年間で5.8 テラワットの電力を節約し、約8000万トンの二酸化炭素の大気中への放出を防ぐと推定されています。これは、1600万台の自動車を道路から排除することに相当します。[3]

毎年約3000万台の新しい電気モーターが産業用に販売されています。約3億台のモーターが産業、インフラ、大規模建物で使用されています。これらの電気モーターは、ポンプ、ファン、コンプレッサー、その他の機械式牽引装置を駆動するために使用される世界の電力の40%を占めています。モーター技術は過去数十年で進化してきました。現在、優れたいわゆる「プレミアム」製品が利用可能であり、市場をエネルギー効率に向けて変革し、世界中の温室効果ガス排出量の削減に貢献する準備ができています。[4]

ベストプラクティスを適用することで、電気モーターのエネルギー効率は平均20～30%向上します。ほとんどの改善は1～3年で投資回収できます。これは、地球規模の温室効果ガス排出量削減にも大きな影響を与える可能性を秘めています。[5]

電気モーターシステムは大量の電気エネルギーを消費するため、大幅なエネルギー節約の機会となります。モーターの寿命全体にわたる総運転コストの97%以上はエネルギーによるものです。しかし、新しいモーターの購入は、消費する電力ではなく、価格によって決定される傾向があります。わずかな効率の改善でも、大幅なエネルギーとコストの節約につながる可能性があります。より効率的なモーターに少しだけ初期投資をすれば、多くの場合、エネルギー節約によって回収されます。エネルギー効率を改善すると、気候変動に寄与する温室効果ガスの排出が削減されます。[6]

モーター効率の定義

電気モーターの効率はギリシャ文字のイータで表され、出力される機械動力と入力される電気動力の比として定義され、次の式で計算できます。

効率は比率であるため、出力と入力の測定単位が同じであれば、この計算には任意の測定単位を使用できます。

軸動力は駆動される機械に伝達され、電気入力動力は計測され、課金されます。モーター効率の損失は

P損失= Pin - Pshaft

P= 電気モーターの損失 [kW]

モーターのエネルギー損失は、主にコイル巻線（抵抗）による損失、ローターバーとスリップリングによる損失、鉄心の磁化による損失、ベアリングの摩擦による損失など、多くの要因によって発生する熱です。

米国の高効率モータープログラム

2007年12月19日、ブッシュ大統領は2007年エネルギー独立安全保障法（EISA）に署名し、法律として成立させました（公法140-110）。全米電機工業会（NEMA）は、EISAの主要条項の策定に積極的に参加しました。NEMAが重点を置いた重要な条項は、モーターの効率レベルの向上でした。NEMAのモーター・ジェネレーター部門は、米国エネルギー効率経済評議会（ACEF）と協力して、汎用電気モーターと一部の特定用途および特殊用途電気モーターの両方を対象とする新しいモーター効率規制を起草し、推奨しました。

NEMAのモーター・ジェネレーター部門は、主に4つの理由からNEMAプレミアムプログラムを設立しました。

  • 電気モーターは、産業、公共施設、商業ビルの総エネルギー運用コストに大きな影響を与えます。
  • 電気モーターのエネルギー効率は様々です。NEMAプレミアムプログラムは、購入者がコストを節約し、システムの信頼性を向上させる、より効率的なモーターを特定するのに役立ちます。
  • NEMAプレミアムラベル付き電気モーターは、電力供給と公益事業の規制緩和の問題を考慮して、ユーザーがモーターシステムの効率を最適化するのに役立ちます
  • NEMAプレミアムモーターと最適化されたシステムは、電力消費を削減し、発電に伴う汚染を削減します。

詳細については、NEMAプレミアムモーターをご覧ください。[7]

モーターに関するEISA規格の概要：[8]

プレミアム効率モーターに対するEUのアプローチ

2005年6月、欧州連合（EU）は、住宅、第三次産業、産業部門におけるすべてのエネルギー使用製品に対するエコデザイン要件（エネルギー効率要件など）を設定するための枠組みを確立するための指令を制定しました。 [9] EU全体で一貫したエコデザイン規則により、各国の規制間の差異がEU域内貿易の障害とならないことが保証されます。この指令は、特定の製品に対して直接拘束力のある要件を導入するものではありません。しかし、環境に関連する製品特性（エネルギー消費など）に関する要件を設定するための条件と基準を定義し、迅速かつ効率的に改善することを可能にします。その後、エコデザイン要件を確立するための措置が実施されます。原則として、この指令はすべてのエネルギー使用製品（輸送車両を除く）に適用され、すべてのエネルギー源をカバーします。[10]

世界的な効率分類の統一

IEC 60034-30は、単速、三相、50 Hzおよび60 Hzのかご形誘導電動機の電気効率クラスを規定しています

  • 2極、4極、または6極（50Hzで3,000、1,500、1,000RPM）
  • 定格出力は0.75～375kW
  • 定格電圧は最大1000V
  • 定格サイクル持続係数が80%以上のS1（連続運転）またはS3（断続運転）のいずれかの運転タイプに基づいて定格されています

下の表は、IEC 60034-30（2008）の効率クラスと比較可能な効率レベルを示しています。

この規格では、将来のためにIE4クラス（スーパープレミアム効率）も確保されています。以下のモーターは、新しい効率規格の対象外です。

  • インバータ運転専用に製造されたモーター
  • 機械（ポンプ、ファン、またはコンプレッサー）に完全に統合され、機械から分離して試験できないモーター。

グラフは、50Hz、4極モーターの例として示しています

60 Hz 動作の場合、IE2 および IE3 の最小全負荷効率値は、それぞれ北米電機工業会 (NEMA) [11]のエネルギー効率およびプレミアム効率モーター規格と実質的に同じです。 (NEMA は、全閉ファン冷却式および開放型防滴エンクロージャーのモーターに対して異なる全負荷効率値を指定しており、200HP からは IEC IE3 効率が NEMA プレミアム効率よりわずかに高くなります)。IEC の最小全負荷効率規格は、50 Hz モーターよりも 60 Hz モーターの方が高くなります。これは、モーターのトルクが一定である限り、I 2 R または巻線抵抗損失が 50 Hz と 60 Hz で同じであるためです。ただし、モーター出力は速度とともに直線的に増加し、周波数が 50 Hz から 60 Hz に増加すると 20% 増加します。一般に、60Hzの効率は50Hzの値よりも約2.5%～0.5%高くなります。効率の向上は、モーターの定格出力が小さいほど大きくなります。

これらの新しい効率基準への適合性を示すには、新たに採用されたIEC 60034-2–1試験プロトコルに従ってモーターを試験する必要があります。この手順は、北米のIEEE 112BおよびCSA 390試験方法によって得られる結果とほぼ互換性のある試験結果を提供します。また、新しい規格では、モーターの効率クラスと公称モーター効率をモーターの銘板に表示し、製品資料およびモーターカタログに次の形式で記載することが義務付けられています。

IE3 94.5%

EUにおける新しい最低エネルギー性能基準

2009年7月22日、指令2005/32/ECを実施する委員会規則（EC）第640/2009号は、E​​Uにおいて、一部の特殊な用途を除き、2015年1月1日以降、モーターの効率はIE3効率レベルを下回ってはならないと規定しています。

詳細：

  • 2011年6月16日までにIE2
  • 2015年1月1日までにIE3（7.5～375kWのモーターの場合）、およびIE2は可変速ドライブとの組み合わせのみ
  • 2017年1月1日までにすべてのモーターに対してIE3（0.75～375kWのモーターの場合）、およびIE2は可変速ドライブとの組み合わせのみ

EC 60034–30、IE3プレミアム効率（％）は表に示されています。

IE3プレミアム効率

高効率モーターの設計

高効率モーターの設計には、特別な知識、経験、そして精密機器を備えた試験設備が必要です。設計の目的は、特に固定子コイル、固定子鉄心（磁化）、そして回転子内部の滑りによる損失で発生する単一損失を最小限に抑え、バランスをとることで効率を向上させることです。標準（IE1など）の電気モーターと比較して、鉄と銅の材料が多く使用されています。IE3モーターはIE1モーターよりも重く、物理的に大きくなっています。

通常、銅巻線のスロット充填率を高めること、鋼の特性を改善した薄い積層板を使用すること、空隙を減らすこと、冷却ファンの設計を改善すること、特殊で改良されたベアリングを使用することなどで、モーターの効率を高めることができます

銅は他の金属導体と比較して高い電気伝導性を持つため、モーターの電気エネルギー効率が向上します。[12]コイル内の導体の質量と断面積を増やすと、モーターの電気エネルギー効率が向上します。エネルギー節約が主要な設計目標である場合、[13] [14]誘導モーターは、米国電機工業会（NEMA）のプレミアム効率基準を満たし、それを超えるように設計できます。[13] [14] [7]

商業リベートプログラム

全米電機工業会（NEMA）によると、米国上院エネルギー天然資源委員会は、NEMAが提唱する条項を採択し、プレミアム省エネモーターリベートプログラム（別名「クラッシュ・フォー・クレジット」プログラム）を創設しました。このプログラムは、1馬力あたり25ドルのリベートと、古いモーターの廃棄に対して1馬力あたり5ドルのリベートを提供しました。後者のプログラムは、新しく高価で効率的なモーターと、古くて非効率なモーターの修理にかかる費用の差を相殺するために必要だったとNEMAは述べています。このプログラムにより、連邦政府はNEMAプレミアムモーターの普及を促進するために3億5000万ドルのインセンティブを支出することができました。

上院版の「エネルギー政策・節約法」（EPCA）に含まれる「クラッシュ・フォー・クレジット」条項は5年間有効で、以下の資金提供案が含まれていました。[15]

  • 2010年度：8000万ドル
  • 2011年度：7500万ドル
  • 2012年度 7,000万ドル
  • 2013年度 6,500万ドル
  • 2014年度 6,000万ドル

EU内では、様々な資本控除制度により、企業が高効率モーターを搭載した機器を購入することが奨励されています。例えば、英国では、Enhanced Capital Allowances Scheme [16]により、公表された省エネ基準を満たす機器に投資する企業に税制優遇措置が提供されています。エネルギー技術リスト（ETL）は、各技術タイプの基準を詳細に示し、各カテゴリーで基準を満たす製品をリストしています。これは政府に代わって Carbon Trustによって管理されており、2つの部分で構成されています。

  • エネルギー技術基準リスト（ETCL）は、技術の進歩を反映していることを確認するために毎年見直されています。各技術クラスの適格な省エネ基準を定めています。[17]
  • このウェブサイトで毎月初めに更新されるエネルギー技術製品リスト（ETPL）には、ECAの対象となる製品と技術がリストされています

ETPLには、それ自体がECAの対象とならない、より大きな設備や機械のコンポーネントを構成する適格製品に対する 最大請求額[18]の詳細も含まれています

ECA制度の主な特徴は

  • 規模、業種、所在地を問わず、英国の法人税または所得税を納税するすべての企業が対象です。
  • 省エネ機器への投資に対し、投資期間の課税所得に対して100%の初年度資本控除を提供します。
  • ETPLに記載されているすべての製品は、ETCLに掲載されている省エネ基準を満たしている必要があります。
  • 新品および未使用の省エネ機器への支出のみがECAの対象となります。
  • 資本控除は、設備および機械の「提供」に対する支出に対して利用できます。これには、適格な設備および機械の設置に直接起因して発生する特定の費用、例えば機器の現場への輸送費や直接的な設置費用などが含まれます。詳細については、 「ECAの申請」 [19]のセクションを参照してください

アイルランドの同様の制度である、サステイナブル・エネルギー・アイルランド（SEI）[20]が運営する加速資本控除（ACA）では、企業は購入初年度に対象となる省エネ機器の資本コストの100%を 課税所得から控除できます。これは、対象外の設備や機械の場合はわずか12.5%です。

既存の資本控除税制では、「資本設備」に資金を費やした場合、企業はこの設備の費用を 8 年間にわたって利益から比例的に控除できます。つまり、年間課税対象利益は総設備費用の 1/8 だけ削減されます。

新しいACAでは、「適格エネルギー効率の高い資本設備」に資金を費やした場合、企業は購入年度の利益からこの設備の全額を控除できます。つまり、初年度の課税対象利益から設備の全額が差し引かれます。

参考文献

  1. ^ 「エネルギー効率のトピック」ACEEE。2011年5月1日にオリジナルからアーカイブ。2013年10月2日閲覧。
  2. ^ 「シーメンス モーターのABC、18ページ」（PDF）。シーメンス。2009年。 2013年10月2日閲覧。
  3. ^ 「NEMA - NEMAプレミアムモーター」。2009年2月21日にオリジナルからアーカイブ。2009年9月1日閲覧
  4. ^ 「持続可能なエネルギー専門家のためのグローバルコミュニティ」Leonardo ENERGY 。 2015年2月25日閲覧。
  5. ^ 「IEA 4E – 電動モーターシステム附属書 – EMSA」Motorsystems.org 。 2015年2月25日閲覧。
  6. ^ 「プレミアム効率モーター」（PDF） 。 2011年7月6日時点のオリジナル（PDF）からアーカイブ。2009年10月12日閲覧。
  7. ^ ab [1] 2010年4月2日アーカイブ、Wayback Machine
  8. ^ [2] 2008年9月16日アーカイブ、Wayback Machine
  9. ^ 「IECへようこそ」IEC。2013年10月2日閲覧
  10. ^ 「地域および地方の持続可能な活動の支援」。ManagEnergy。2010年6月20日時点のオリジナルからアーカイブ。2015年2月25日閲覧。
  11. ^ 「全米電機メーカー協会」。NEMA 。2013年10月2日閲覧。
  12. ^ 「IE3省エネモーター」。Engineer Live、2013年2月21日、2014年7月20日閲覧。
  13. ^ ab Fuchsloch, J.; Brush, EF (2007年6月10～15日).「新シリーズのUltra-NEMAプレミアム銅ローターモーターの体系的な設計アプローチ」。EEMODS 2007会議議事録。北京。
  14. ^ ab [3] 2012年3月13日、 Wayback Machineにアーカイブ
  15. ^ 「ETIPS – 信用獲得への挑戦」 。 2016年6月1日閲覧
  16. ^ 「ECA：ホームページ」。2009年3月6日時点のオリジナルよりアーカイブ。2009年10月12日閲覧。
  17. ^ 「ECA：エネルギー技術リストの最新情報」。2009年7月12日時点のオリジナルよりアーカイブ。2009年10月12日閲覧
  18. ^ [4] 2010年10月1日、Wayback Machineでアーカイブ
  19. ^ 「ECA：Enhanced Capital Allowance（ECA）の請求」。2009年7月9日時点のオリジナルからアーカイブ。 2009年10月12日閲覧。
  20. ^ 「SEAI – Welcome to the Sustainable Energy Authority of Ireland」。Sei.ie。2008年10月6日。 2013年10月2日閲覧。
  • NEMAプログラムのウェブサイト