Elektromotoren für umweltfreundliche Abwasserbehandlung Bayreuther Kläranlage wird Effizienzprogramm unterzogen

„Wir waren mit der ursprünglichen Bauer-Lösung zufrieden, die beim Neubau der Wasseraufbereitungsanlage entwickelt worden war. Nach 19 Betriebsjahren hatten wir aber das Gefühl, dass eine intelligente Investition uns helfen würde, den Betrieb zu verbessern", sagte Harald Bezold, verantwortlicher Abwassermeister des kommunalen Klärwerks in Bayreuth. Außerdem sei es im Zuge der Modernisierung notwendig gewesen, die Umweltauswirkungen der Prozesse zu berücksichtigen.

Wider dem Patentrezept

Der ursprüngliche Wunsch des Klärwerks war der Austausch der Originalmotoren durch Asynchronmotoren der Effizienzklasse IE3 – dies gilt typischerweise als Patentrezept für eine energieeffiziente Lösung in der Wasserwirtschaft. Aufgrund einer von Bauer durchgeführten Bewertung der Anlage ergab sich jedoch, dass die Wasseraufbereitungsanlage durch die Spezifikation von an derselben Frequenz, nämlich 50 Hz, betriebenen PMSM noch stärker profitieren würde. Diese Technologie brachte neben Energieeinsparungen die Möglichkeit, alle Getriebemotoren direkt vom Büro aus über das Profinet-Bussystem zu steuern und am Bildschirm zu sehen, wenn eine Anwendung nicht optimal läuft.

Die IE3-PMSM-Technologie verbraucht weniger Energie und kommt bei gleicher Drehmomentbelastung mit kleineren Leistungsklassen aus als die entsprechenden IE3-Asynchronmotoren. Wenn das System im Teillastbetrieb läuft, hat der Asynchronmotor einen stark reduzierten Wirkungsgrad im Vergleich zum PMSM unter denselben Bedingungen. Konkret ausgedrückt hat Bauer die erforderliche Leistung für diese Anwendung gemessen und dabei festgestellt, dass sie niedriger ist als die installierte Motorleistung. Somit konnte die Motorgröße bei unveränderter Leistung von ursprünglich 1,5 auf 1,1 kW reduziert werden. Messungen nach der Ausstattung der Applikationen mit den neuen Motoren ergaben außerdem, dass der Austausch von Asynchronmotoren durch an 50 Hz betriebene PMSM-Alternativen über 93.000 kW/h pro Jahr einsparen kann. Bei einem angenommenen Energiepreis von 20 Cent pro kW/h entspräche das mehr als 18.600 Euro an Einsparungen in einem Jahr.

Drehzahlabsenkung spart Energie

Ein weiterer Vorschlag war die Verwendung eines Motors für Umrichterbetrieb, um die Netzfrequenz ohne Beeinträchtigung des Mischverhaltens zu reduzieren. Das Ergebnis war, dass für das Anlaufen des Mischvorgangs die Frequenz von 50 bis 60 Hz gebraucht wurde. Nachdem das Abwasser aber in Bewegung und der Schlamm im Wasser suspendiert war, konnte die Drehzahl auf 34 Hz reduziert werden. Diese Drehzahlabsenkung bei gleichem Mischergebnis und gleicher Aufbereitungsqualität ermöglicht laut Bauer ein Einsparpotenzial von über 260.000 kW/h beim Energieverbrauch und 52.000 Euro bei den jährlichen Energiekosten.

Bei der Konstruktion wurde sichergestellt, dass die neuen Motoren in den vorhandenen Einbauraum passten, damit die ursprünglichen Befestigungen und Getriebeabmaße nicht geändert werden mussten. Da die Motoren im Freien installiert werden sollten, mussten sie unbedingt für widrige Witterungsbedingungen und die allgemeinen Gefahren derartiger Umgebungen ausgerüstet sein. Bauer wählte daher Motoren mit Schutzart IP65 und passende Umrichter mit Schutzart IP66, die gegen das Eindringen von Staub und starkes Strahlwasser aus allen Richtungen geschützt sind.

Dezentrale Montage statt Reihenschaltung

Einzelne, dezentral montierte Frequenzumrichter – Etak2.0-Getriebemotoren – wurden gegenüber einer Reihenschaltung aller Umrichter bevorzugt. Falls ein Antrieb ausfallen sollte, würden auf diese Weise die übrigen Getriebemotoren hiervon unberührt bleiben und weiterlaufen, was die Ausfallzeit der Anlage und die Wartungskosten reduzieren würde. Zudem benötigte die neue Lösung weniger Anlagenkomponenten: Die angebauten Frequenzumrichter machten abgeschirmte Leitungen in der Anlage überflüssig und versorgten die Motoren dezentral, sodass auf Umrichter in Schaltschränken verzichtet werden konnte. Der geringere Wartungsaufwand hatte zusätzliche Kosteneinsparungen zur Folge.

Der Etak2.0 sendet außerdem über den weit verbreiteten Industrial-Ethernet-Standard Profinet einen konstanten Datenstrom an die speicherprogrammierbare Steuerung (SPS). So kann der Zustand jedes Aggregats fernüberwacht werden, ohne dass hierfür eine physische Inspektion vor Ort erforderlich ist.