Viele Kläranlagenbetreiber verfolgen daher gezielt Strategien zur Verbesserung der Energieeffizienz. So optimierte Bauer Gear Motor den Energieverbrauch des Klärwerks Bayreuth und reduzierte die Umweltbelastung und die Energiekosten mit einer innovativen Getriebemotorenlösung für die Anlage der Zukunft.

Auch wenn es sich bei diesem Beispiel um eine kommunale Kläranlage handelt, unterscheiden sich die Prozesse und die Technik nicht wesentlich von denjenigen in der kommerziellen und industriellen Wasseraufbereitung, sodass die Vorteile in Bezug auf Effizienz, Zuverlässigkeit und Betriebskosten ohne Weiteres auch hier zum Tragen kommen.

Das kommunale Klärwerk in Bayreuth wollte die Elektromotoren zum Antrieb der Anlage optimieren, um seine Energieeffizienz zu steigern und die Energieverbrauchskosten zu senken.

Das ursprüngliche, 1999 gebaute System bestand aus mehreren mit 50 Hz direkt am Netz (direct on line, DOL) betriebenen Asynchronmotoren der Leistungsklasse 1,5 kW. Diese Motoren waren von Bauer Gear Motor (Typ BF50-35A/D09LA4-TF-D) geliefert worden und liefen seit ihrer Installation störungsfrei. Da ihre Energieeffizienz jedoch nicht das Maß des neuesten Stands der Technik erreichen konnte, entschied man sich für die Stilllegung des vorhandenen Systems und die Spezifikation einer Hightech-Alternative.

Als Lieferant der ursprünglichen Motoren wurde Bauer Gear Motor, ein Unternehmen der Altra Industrial Motion Corporation, eingeladen, eine Lösung vorzuschlagen, die wegbereitende Energieeffizienz bei unveränderter Zuverlässigkeit gewährleisten sollte. Bauers Reputation als führender Anbieter innovativer, energieeffizienter Getriebemotorenlösungen machte das Unternehmen zum idealen Partner für das Projekt.

Harald Bezold, der verantwortliche Abwassermeister des kommunalen Klärwerks, sagte: „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. Wir wussten, dass es im Zuge der Modernisierung auch notwendig sein würde, die Umweltauswirkungen unserer Prozesse zu berücksichtigen. Unser Ziel ist es, den besten Service im Wassermanagement zu bieten, und zwar zu möglichst geringen Kosten und mit möglichst wenigen Auswirkungen auf die uns umgebende Umwelt.“

Markus Kutny, Business Development Manager bei Bauer, fügte hinzu: „Wir haben eine Standortrevision und eine Prüfung der vorhandenen Ausrüstung vorgenommen. Dabei haben wir eine der vorhandenen Anlagenkomponenten mit einem Frequenzumrichter ausgestattet, um das Verhalten dieser Konfiguration zu messen. Anhand dieser Daten konnten wir diese Applikation genau analysieren und für den Kunden eine Berechnung durchführen, um die Vorteile der Permanentmagnet-Synchronmotor (PMSM) -Technologie aufzuzeigen. Die theoretisch berechneten Werte, Einsparungen und Verhaltensweisen wurden aufgezeigt und dem Kunden vorgelegt. Über die Erreichung der Umweltschutz- und Leistungsziele hinaus konnten wir ein System entwickeln, das die neuesten Standards der Industrie 4.0 erfüllt. Damit haben wir den Standort mit einem nie dagewesenen Maß an Motorregelung ausgestattet.“

Der ursprüngliche Wunsch des Kunden war der Austausch der Originalmotoren durch Asynchronmotoren der Effizienzklasse IE3 – dies gilt typischerweise als Patentrezept für eine „energieeffiziente Lösung“ in der Wasserwirtschaft. Aufgrund der 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.

Die Vorteile der PMSM sind nicht allein die Energieeinsparungen; sie haben darüber hinaus den Vorteil, dass der Kunde alle Getriebemotoren direkt vom Büro aus über das „PROFINET-Bussystem“ steuern kann. Als weiterer großer Vorteil erwies sich, dass die Servicetechniker durch das intelligente Frequenzumrichter- und Bussystem die Leistung der Motoren überwachen und am Bildschirm sofort sehen können, 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 drastisch 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, sodass Bauer die Motorgröße bei unveränderter Leistung von ursprünglich 1,5 kW auf 1,1 kW reduzieren konnte.

Außerdem ergaben Messungen des Kunden nach der Ausstattung der Applikationen mit den neuen Motoren, 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 0,20 € pro kW/h entsprechen 93.000 kW/h mehr als 18.600 € an Einsparungen in nur einem Jahr.

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 aktuell 34 Hz reduziert werden. Eine weitere Optimierung findet im laufenden Klärprozess statt. Diese Drehzahlabsenkung bei gleichem Mischergebnis und gleicher Aufbereitungsqualität ermöglicht aktuell ein Einsparpotenzial von über 260.000 kW/h beim Energieverbrauch und 52.000 € bei den jährlichen Energiekosten.

Der geringe Energieverbrauch der PMSM im Vergleich zu herkömmlichen Asynchronmotoren ist bauartbedingt. Während Asynchronmotoren einen elektrischen Strom im Rotor benötigen, um die Induktion zu erreichen, die den Rotor dreht und das Drehmoment erzeugt, versetzt bei den PMSM ein Permanentmagnet den Rotor in eine Drehbewegung. Im Vergleich zu Asynchronmotoren gleicher Nennleistung sind für die PMSM-Technologie in einigen Anwendungen der Wasseraufbereitung Leistungssteigerungen bis zu 40 % nachgewiesen worden. Daher machen sich viele PMSM innerhalb weniger Monate bezahlt.

Bei der Konstruktion mussten die Ingenieure von Bauer sicherstellen, dass die neuen Motoren in den vorhandenen Einbauraum passten. Hierdurch sollte gewährleistet werden, dass die ursprünglichen Befestigungen und Getriebeabmaße nicht geändert werden mussten – im Interesse möglichst geringer Projektkosten. Da sie im Freien installiert werden sollten, mussten die neuen Motoren 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 Schutz gegen das Eindringen von Staub und starkes Strahlwasser aus allen Richtungen gewährleisten.

Um die Kombination aus Motor und frequenzvariablem Antrieb möglichst effektiv zu gestalten, wurden einzelne, dezentral montierte Frequenzumrichter (EtaK2.0-Getriebemotoren) 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 minimieren würde.

Zudem vereinfachte die neue Lösung von Bauer das System und reduzierte die benötigten Anlagenkomponenten. Die angebauten Frequenzumrichter des EtaK2.0 machten abgeschirmte Leitungen in der Anlage überflüssig und versorgten die Motoren dezentral, sodass auf Umrichter in Schaltschränken verzichtet werden konnte. Hierdurch wurde der Wartungsaufwand reduziert, woraus sich zusätzliche Kosteneinsparungen ergaben.

Der EtaK2.0 bietet außerdem neue Kommunikations- und Steuerungsmöglichkeiten. Genauer gesagt senden die angebauten Frequenzumrichter über den weit verbreiteten Industrial-Ethernet-Standard PROFINET einen konstanten Datenstrom an die speicherprogrammierbare Steuerung (SPS). So kann der Zustand jedes einzelnen Aggregats fernüberwacht werden, ohne dass hierfür eine physische Inspektion vor Ort erforderlich ist.

Auf diese Weise konnte das Klärwerk von einem automatisierten Netzwerk profitieren und die Voraussetzungen für Industrie 4.0 und das Industrial Internet of Things (IIoT) schaffen. Durch die nun wesentlich umfangreicheren Kontrollmöglichkeiten lassen sich außerdem Anzeichen für Maschinendefekte einfacher und früher erkennen, sodass sich Wartungsmaßnahmen und Kosten weitestgehend reduzieren lassen.

Harald Bezold fährt fort: „Als wir an die Ingenieure von Bauer herangetreten sind, haben wir ihnen gesagt, dass wir den Standort zukunftssicher machen wollen, indem sichergestellt wird, dass die Antriebslösung standardmäßig nach dem neuesten Stand der Technik arbeitet. Durch die Einrichtung eines automatisierten Netzwerks sind wir jetzt in der Lage, die Leistungsdaten der Motoren präzise zu überwachen, um sicherzustellen, dass sie jederzeit effizient arbeiten.“

Durch enge Zusammenarbeit mit den Fachleuten des Klärwerks Bayreuth vor Ort konnte Bauer die Anforderungen der Anwendung verstehen und dank seines Branchen-Know-hows eine Lösung liefern, die in puncto Umwelttechnik und industrielle Kommunikation Maßstäbe setzt. Die Technologie ergab nicht nur messbare Verbesserungen bei Energieeffizienz und Produktivität, sondern wurde auch so gehandhabt, dass kein Re-Engineering und nur minimale Betriebsunterbrechungen notwendig waren.

Mit diesem Projekt hat Bauer bewiesen, dass sich durch Maßnahmen zur Wirkungsgradsteigerung nicht nur die Kosten für die Erzeugung, Übertragung und Verteilung von Energie vom Kraftwerk bis zur Endverbrauchseinrichtung reduzieren lassen, sondern auch in erheblichem Umfang die Betriebs- und Wartungskosten.