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Effiziente Antriebstechnik für die Wasserwirtschaft

01  Schätzungen zufolge gehen ganze 90 % des Stromverbrauchs in der Abwasserwirtschaft auf das Konto von Elektromotoren

01  Schätzungen zufolge gehen ganze 90 % des Stromverbrauchs in der Abwasserwirtschaft auf das Konto von Elektromotoren

02  Motoren der PMSM-Bauart erreichen hohe Wirkungsgrade im Nennbetrieb und sind besonders unter Teillastbedingungen deutlich effizienter als Induktions­motoren

02  Motoren der PMSM-Bauart erreichen hohe Wirkungsgrade im Nennbetrieb und sind besonders unter Teillastbedingungen deutlich effizienter als Induktions­motoren

03  Bei 40 % Teillast sparen IE3-PMSM-Motoren im Vergleich zu IE2-ASM-Motoren bis zu 45 % an Energiekosten

03  Bei 40 % Teillast sparen IE3-PMSM-Motoren im Vergleich zu IE2-ASM-Motoren bis zu 45 % an Energiekosten

04  Bei 60 % Teillast sparen IE3-PMSM-Motoren im Vergleich zu IE2-ASM-Motoren bis zu 15 % an Energiekosten

04  Bei 60 % Teillast sparen IE3-PMSM-Motoren im Vergleich zu IE2-ASM-Motoren bis zu 15 % an Energiekosten

Die Wasserwirtschaft liefert uns eine unserer wichtigsten Ressourcen direkt ins Haus. Doch so selbstverständlich uns dieser Service erscheint, so zahlreich und komplex sind die Prozesse, die hierbei für Effizienz und Zuverlässigkeit sorgen. Zu den wesentlichen Komponenten der Abwasseraufbereitung und Wasserver­sorgung gehört der unscheinbare Elektromotor, der zusammen mit den entsprechenden Antrieben die Leistung liefert, die den Kreislauf in Gang hält.

Schätzungen zufolge werden 90 % der auf die Wasserwirtschaft entfallenden elektrischen Energie für den Antrieb von Elektromotoren verbraucht (Bild 1). Deren Effizienz ist somit der wichtigste Ansatzpunkt für eine wirksame Dämpfung steigender Energiekosten. Außerdem ist die Wasseraufbereitung ein kontinuierlicher Prozess. Zuverlässigkeit in dieser extrem anspruchsvollen Umgebung ist deshalb ein weiterer Schlüsselfaktor.

Energieeffiziente Antriebe reduzieren die Betriebskosten
In vielen Ländern gelten für technische Einrichtungen und Prozesse in der Wasseraufbereitung gewisse Mindeststandards, die Versorgungsunterbrechungen so weit wie möglich ausschließen sollen. In Großbritannien gilt ein besonderes Normenpaket namens „Water Industry Mechanical and Electrical Specification“ (Wimes), welches von den Elektromotoren sowie der zugehörigen Steuerungstechnik bestimmte Leistungseigenschaften und Bauausführungen verlangt. Diese Spezifikationen wurden von den britischen Wasserversorgern, Anlagenherstellern und Lieferanten gemeinsam ­definiert und unterliegen einer regelmäßigen Aktualisierung, um technische Fortschritte und bewährte Abläufe zu integrieren.
Bei allen Anwendungen, bei denen Elektromotoren im Dauerbetrieb laufen, haben Wirkungsgradsteigerungen unmittelbar einen positiven Effekt auf die Betriebskosten. Die Verordnung (EG) Nr. 640/2009 [1] schreibt aktuell den Einsatz von IE3-Antrieben bei einer Leistung ab 7,5 kW vor. Ab Januar 2017 dürfen dann sogar ab 0,75 kW nur noch IE3-Antriebe in Verkehr gebracht werden. Für die Wasserwirtschaft eine gute Gelegenheit, auf modernste Elektromotorentechno­logie umzusteigen und die hierdurch möglichen Kostenvorteile zu nutzen. Die Hersteller haben neue Konstruktionen entwickelt, welche die Wirkungsgradvorschriften übertreffen und somit erhebliche Einsparungen bei den Betriebskosten erzielen.

Eine Frage der Last
Obwohl die Gesetzgebung für IE3-Motoren über 7,5 kW erst im Januar 2015 in Kraft getreten ist, bieten einige Hersteller bereits Produkte der Klasse IE4 Super Premium Efficiency an, Bauer Gear Motor sogar für explosionsgefährdete Umgebungen. Dennoch zögern einige Endanwender bei der Investition in höhere Motorwirkungsgrade. Der Grund hierfür ist der Preisunterschied zwischen einem Motor herkömmlicher Bauweise und zum Beispiel einem Permanentmagnet-Synchronmotor (PMSM). Derartige Bedenken lassen sich durch eine Prüfung der möglichen Kosteneinsparungen und Investitionsrendite (Return on Investment, ROI) sowie der sorgfältigen Abstimmung aller neuen Motoren auf die jeweilige Anwendung ausräumen.
Je nach Anwendung und Belastung können dann die optimalen Motoren eingesetzt werden. Beispielsweise sind die PMSM-Motoren (Bild 2) von Bauer Gear Motor besonders unter Teillastbedingungen deutlich effizienter als Induktionsmotoren (Bild 3 und Bild 4 ). Darüber hinaus zeichnen sie sich durch eine deutlich höhere Leistungsdichte aus, die bei Getriebemotoren bei minimalem Einbauvolumen für eine höhere Systemleistung sorgt.

Nicht die Mechanik vernachlässigen
Im Hinblick auf den Gesamtwirkungsgrad eines Antriebssystems mit Elektromotor muss aber auch die mechanische Komponente untersucht werden. Gerade hier besteht erhebliches Optimierungspotenzial. Integrierte Getriebemotoren machen externe Kupplungen und Lager überflüssig und erreichen eine nahezu verlustfreie Übertragung. Gleichermaßen haben Kegelstirnradgetriebe Vorteile gegenüber Schneckengetrieben, da sie effizienter sind und in den meisten Anwendungsfällen eine längere Nutzungsdauer haben.
In vielen Fällen profitieren die Antriebssysteme bei Absetzbecken, Filterbecken und Eindickern von höheren mechanischen Wirkungsgraden. Die höheren Investitionskosten amortisieren sich schnell durch deutlich reduzierte Gesamtbetriebskosten. Durch enge Zusammenarbeit mit dem Anbieter und die Auswahl aus einem modular aufgebauten Produktsortiment lässt sich das neue Antriebssystem exakt an die Anforderungen der jeweiligen Anwendung anpassen. Auf diese Weise sorgt der Elektromotor für dauerhafte Zuverlässigkeit bei maximalem Wirkungsgrad und reduzierten Betriebskosten.
Ein weiterer Effizienzfaktor ist die Antriebskupplung, das elementare Bindeglied zwischen Elektromotor und Antriebswelle, das erheblichen Einfluss auf die Leistung der technischen Einrichtung hat. Kupplungen sollen Wellenversatz ausgleichen, wie er beispielsweise auftritt, wenn ­eine der verbundenen Wellen in einem Pendellager geführt wird oder zwischen Antrieb und Last eine Zwischenwelle sitzt. Eine Kupplung zum Ausgleich eines Winkelversatzes ist das einfache Kardangelenk. Kardangelenke können auch einen größeren Versatz ausgleichen und fungieren als Torsionsdämpfer. Bei der Auswahl der Kupplung unter Berücksichtigung von Einsatzgebiet, Wartungsaufwand und Drehmomentanforderung ist große Sorgfalt geboten. Nur so sind zuverlässiger Betrieb und Wartungsfreundlichkeit zu gewährleisten. Fehler bei der Auswahl der Kupplung können ineffiziente Kraftübertragung und erhöhte Wartungskosten zur Folge haben.

Steigerung des Wirkungsgrads
Der Wirkungsgrad im Betrieb hat einen erheblichen Einfluss auf die Betriebskosten. Beispielsweise verursacht ein typischer IE2-Asynchronmotor über die Nutzungsdauer ca. das 100- fache seines Anschaffungspreises an Elektrizitätskosten. Nach Prüfung der mechanischen Optimierungsmöglichkeiten und entsprechenden Maßnahmen können unter Umständen die Leistungsanforderungen an den Elek­tromotor reduziert werden. Durch Installation eines kleineren Motors, der eine wirkungsgradoptimierte Mechanik antreibt, lässt sich insgesamt der Energieverbrauch senken. Von aufeinander abgestimmten Komponenten profitiert zudem die Zuverlässigkeit des Systems.
Bei der Spezifikation von Antriebssystemen für Anwendungen in rauen Umgebungen sollte man sich an einen Lösungsanbieter wenden, der über die notwendige Erfahrung verfügt, um die Erfordernisse der einzelnen Szenarien zu verstehen. So hilft Altra Industrial Motion Anbietern von Abwassertechnik sowie Betreibern von Wasseraufbereitungsanlagen in aller Welt, die Effizienz ihrer Einrichtungen zu erhöhen und zugleich Kosten und Ausfallzeiten zu reduzieren. Die Gruppenunternehmen wie Bauer Gear Motor, TB Wood‘s, Bibby Turboflex und Boston Gear liefern Komplettlösungen für Antriebsstränge – nicht nur für die Abwasserwirtschaft. Hierfür halten sie ein umfangreiches Angebot an Kupplungen, Getriebemotoren, Untersetzungsgetrieben und Riemenantrieben bereit. (no)

Literatur
[1] Verordnung (EG) Nr. 640/2009 vom 22. Juli 2009 der Kommis­sion der europäischen Gemeinschaften zur Durchführung der Richtlinie 2005/32/EG des Europäischen Parlaments und des Rates im Hinblick auf die Festlegung von Anforderungen an die umweltgerechte Gestaltung von Elektromotoren. Amtsblatt Nr. L 191 vom 23.7.2009, S. 26. Luxemburg: Amt für amtl. Veröffentlichungen

Markus Kutny ist Produktmanager für Energy Efficient Solutions bei Bauer Gear Motor in Esslingen. markus.kutny@bauergears.com

Markus Kutny ist Produktmanager für Energy Efficient Solutions bei Bauer Gear Motor in Esslingen. markus.kutny@bauergears.com