Stück für Stück zum Sparbetrieb

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14.02.2012 In einer Anlage gibt es viele Ansatzpunkte, um Energie einzusparen. Stromfresser sind in fast jedem Bereich eines Betriebs zu finden. Diese Übersicht zeigt einen Ausschnitt aus den aktuellen Produktentwicklungen, die große Effizienz bei gleichzeitig hoher Leistung ermöglichen sollen.

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Von den laufenden Betriebskosten nimmt der Stromverbrauch der Maschinen und Anlagen einen eheblichen Teil ein. Dementsprechend groß ist das Einsparpotenzial, das es hier auszuschöpfen gilt. Neue Geräte mit verbesserter Effizienz und niedrigeren Verbrauchswerten können erhebliche Kostenvorteile gegenüber älteren bieten, die zwar noch tadellos funktionieren, deren Lebenszykluskosten jedoch immens sein können.

Eine Vorreiterrolle bei der Energieeffizienz spielen die Antriebstechnik-Hersteller. Denn ein großer Teil des weltweiten industriellen Stromverbrauches entfällt auf Motoren. Nicht zuletzt die Gesetzgeber stellen daher immer höhere Anforderungen an die Leistung der Produkte. Viele Hersteller haben sich schon heute auf künftige noch schärfere Vorschriften eingestellt und entsprechende Geräte im Portfolio. Beispielsweise bietet ABB zwei Pakete aus Niederspannungs-Synchronmotoren mit neuartiger Motortechnologie und Frequenzumrichter zur Drehzahlregelung an. Die Technik wird als Komplettpaket aus Motor, Frequenzumrichter und Software geliefert. Konstruktionsbedingt weist der Rotor nahezu keine Verluste auf, Energieeffizienz und Leistungsdichte der Pakete sind auf die Läuferkonstruktion und die optimierte Antriebssteuerung zurückzuführen. Bei ABM Antriebe ist ein Synchronmotor mit Hochleistungs-Permanentmagneten, der Sinochron, im Portfolio. Durch seine kompakte Bauform, gutes Rundlaufverhalten und geringe Geräuschentwicklung sowie eine große kurzzeitige Überlastbarkeit kann in vielen Fällen eine kleinere Motorbauform zum Einsatz kommen. Sie ermöglichen einen zuverlässig geregelten Betrieb vom Stillstand bis zu hohen Drehzahlen und auch bei Laststößen und Drehzahlveränderungen eine hohe Dynamik. Auch die Modelle der L-force-Drehstrommotoren MF von Lenze ermöglichen den Einsatz von einer bis zu zwei Größeren kleineren Bauform. Möglich wird dies durch das Konstruktionsprinzip für den Betrieb am Frequenzumrichter. Bei Siemens  verhilft eine verbesserte Läufertechnologie bei den IE3-Motoren zu kompakten Abmessungen.

Der Antriebstechnik-Spezialist SEW hat eine passende Lösung, wenn auch im Dauerbetrieb der Motor sparsam sein soll. Die Line-start-Permanentmagnet-Motoren (LSPM) lassen sich neben dem Einsatz am Frequenzumrichter auch direkt am Netz betreiben. Ihre Konstruktion basiert auf einem Drehstrom-Asynchronmotor mit Kurzschlussläufer, der am Rotor zusätzlich mehrere Permanentmagneten enthält. Die Doppeltechnologie bewirkt, dass die Verluste zusätzlich sinken, die infolge des Schlupfes im Betrieb entstehen. Bei Nord Drivesystems sind die Drehstrommotoren mit 0,55 kW Leistung mit mehr Aktivmaterial und hochwertigeren Blechen mit geringen Verlusten sowie erhöhten Kupferfüllfaktoren ausgestattet. Die Konstruktionsoptimierungen machen den Einsatz von Motoren mit kleinerer Nennleistung möglich. Auch bei Groschopp haben die Ingenieure an den verbauten Materialien getüftelt: Bei den Induktions-Gehäusemotoren der Baureihe IGK hat der Hersteller sowohl das aktive Blechpaket verlängert als auch den Aluminiumkäfig gegen einen Kupferkäfig ausgetauscht, um einen höheren Wirkungsgrad zu erreichen.

Für den Einsatz von Motoren an Pumpen haben die Anbieter Speziallösungen entwickelt. KSB setzt auf den Verzicht auf seltene Erden bei den drehzahlgeregelten Synchronmotoren. Sie erreichen hohe Effizienz am Nennpunkt und im Teillastbereich dadurch, dass die Rotorverluste entfallen; sie sind preisgünstig, da kein Einsatz von knappen Magnetwerkstoffen notwendig ist. Grundfos kennzeichnet seine energieoptimierten Antriebslösungen für Pumpen mit einem speziellen Label. Die Bauteile dieser Motoren wurden optimiert, wobei die Entwickler die wichtigsten Verlustfaktoren – bedingt durch Wirbelströme und Hysterese, Stromfluss in Rotorstangen oder durch Reibung in den Lagern – im elektrischen Motor minimieren konnten.

Kompakte Abmessungen bei Pumpenprozessen

Doch nicht nur die Antriebsaggregate für Pumpen lassen sich energetisch optimieren. Auch durch Verbesserung der Funktionsweise oder Neukonstruktionen der Pumpen an sich lässt sich eine höhere Leistung beispielsweise in Form von größeren Durchflussraten erzielen. Wilo beispielsweise hat mit der Baureihe SPC (Split-Case-Pumps) Pumpen im Portfolio, die einen Wirkungsgrad von mehr als 84 Prozent haben und werden als Komplettaggregate aus Pumpe mit Kupplung, Kupplungsschutz, Motor und Grundplatte geliefert. Die Aggregate mit Doppelsauglaufrad haben einen niedrigen Druckverlust und hohe Laufruhe, daneben ermöglicht eine günstige Lastverteilung auf den dauergeschmierten Lagern lange Laufzeiten. Bei Sulzer Pumps setzen die Ingenieure bei den SMD-Pumpen auf kompakte hydraulische Dimensionen mit weniger Einzelteilen, um einen kosteneffizienteren Produktionsprozesse zu ermöglichen. Aufgrund der hydraulischen Auslegung für jeden Betriebspunkt senken Pumpen den Energieverbrauch und haben eine gesteigerte hydraulische Leistung über einen weiten Betriebsbereich. Sie haben außerdem einen niedrigen NPSH, was anhaltend hohe Effizienzniveaus bedingt. Bei schwierigen Einsatzbedingungen ist die Chemiekreiselpumpe MPCH Dryrun von Bungartz eine passende Wahl. Sie hat eine Magnetkupplung, die trockenlaufend und druckentlastet ist. Energieeinsparungen entstehen bei ihrem Einsatz dadurch, dass ein keramischer Spalttopf eine wirbelstromfreie Magnetfeldübertragung ermöglicht. Außerdem erhöht sich ihr Wirkungsgrad gegenüber Magnetpumpen mit Gleitlagerung dadurch, dass der Lagerträger der Pumpe aus einer Welle mit fettgeschmierten Wälzlagern besteht.

Speziell für die effiziente Flüssiggasförderung hat Hermetic einstufige und mehrstufige Spaltrohrmotorpumpen im Portfolio. Der Hersteller hat sie eigens für diese Anwendung entwickelt und mit einem Mengenbegrenzungsventil alternativ zum Einsatz einer Qmax-Blende ausgerüstet. Das Ventil ermöglicht oftmals den Einsatz einer kleineren, preisgünstigeren Pumpe oder mehrstufiger Pumpen. Zusätzlich stellt die Fläche zwischen den Pumpenkennlinien mit Qmax-Blende und Mengenbegrenzungsventil eine Energieeinsparung dar. Bei stark schwankenden Anforderungen an Fördermenge und Druck wie bei der Gastrocknung und gleichzeitig hohen Anforderungen an die Effizienz der Pumpen können die Hochdruck-Kolbenmembranpumpen Hydracell von Verder eingesetzt werden. Sie benötigen eine geringere Stellfläche und haben einen Wirkungsgrad von über 80 Prozent. Dadurch stellen sie eine kostengünstige Alternative zu oszillierenden und rotierenden Pumpensystemen dar.

Für Dosieraufgaben haben die Ingenieure von Prominent verschiedene energiesparende Lösungen entwickelt. Eine davon sind die elektromagnetisch angetriebenen Dosierpumpen, bei denen die Ruhestromaufnahme verringert ist und verbesserte Magnete, skalierbare Leistungskennzahlen und bedarfsorientierte Leistungsanforderungen erzielen. Hier lässt sich durch einen geregelten Magnetantrieb die Dosiercharakteristik mithilfe eines Mikroprozessors auf den Anwendungsfall einstellen, so dass nur die zur tatsächlichen Dosierung benötigte Energiemenge dem Magneten zugeführt wird. Bei der Magnetmembranpumpe Beta ermöglicht eine neue Impulsunter- und -übersetzung eine genauere Anpassung an externe Signalgeber und somit präzise Dosierung.

Mit Hochdruck an neuen Produkten arbeiten

Bei Kompressoren tüfteln die Entwickler ebenfalls an effizienten Lösungen, um ihre Geräte, die häufig rund um die Uhr im Einsatz sind, für die Betreiber attraktiv zu gestalten. Bei Kaeser ist das Ergebnis eine Druckluftstation, die einen leistungsfähigen Industrie-PC beinhaltet, der auf dem Sigma Air Manager basiert. Er kombiniert maschinenübergreifende Verbundsteuerung und Webserver und arbeitet mit einer adaptiven 3-D-Regelung. So minimiert sie den mit Start und Stillsetzung der Kompressoren verbundenen Schaltverlust, reduziert den zusätzlichen Energieaufwand für Druckflexibilität und minimiert die Regelverluste in Form von Leerlauf- und FU-(Regel-)Verlusten.

Auch die Hochgeschwindigkeits-Turbokompressoren ZS 132 von Atlas Copco sind exakt geregelt. Bei der dreistufigen Konstruktion kommt moderne Technik für hohe thermodynamische Effizienz und niedrigen Energieverbrauch zum Einsatz. Außerdem kommt er ohne Getriebe aus, sodass Übertragungsverluste entfallen, und hat Laufräder aus Titan, die langlebiger sind und auch schnellere Be- und Entlastungszyklen ermöglichen. Zusätzlich steigt die Energieeffizienz aufgrund der Verringerung von Luftverlusten und Druckabfällen.

Wärmeenergie sinnvoll wiederverwerten

Beim Einsatz von Wärmeübertragern steht ohnehin neben der Kühl- oder Heizfunktion die Energierückgewinnung aus der Anlage im Fokus. Ein Beispiel, wie dabei die Betriebskosten noch weiter gesenkt werden können, sind die Plattenwärmeübertrager aus Siliciumcarbid von ESK. Sie sind gegen Medien wie konzentrierte Schwefelsäure oder heiße Natronlauge beständig und halten im Vergleich zu Modellen aus Metall um den Faktor zwei länger stand. Die Investitionen für Rekuperatoren auf Basis der SiC-Plattenwärmetauscher amortisieren sich unter anderem dadurch, dass die effiziente Wärmeübertragung die Übertragerfläche um bis zu 50 Prozent reduziert und so eine kompakte Bauform ermöglicht. Ein anderes Beispiel sind die IP Tubes für Wärmeübertrager von Lamont Kessel. Gezielt eingebrachte Strukturen auf den Rohrinnenseiten erzeugen hier Verwirbelungen, die die laminare Strömung des fließenden Mediums in turbulente verwandeln. Für den Wärmeübergang bedeutet das einen um 1,4 bis 4,5 verbesserten Alpha-Wert, wodurch sich die Baugröße von Wärmeübertragern bei gleicher Leistung um mindestens 10 Prozent verringert.

Leistung durch innovative Materialien und Technologien erhöhen

Auch Filtrationsprozesse sind energieintensiv. Hier die passenden Komponenten und ergänzende Maßnahmen zu finden kann sich ebenfalls sehr positiv in der Energiebilanz auswirken. Bei Herding Filtertechnik steht die Abscheideleistung des Filters im Hinblick auf die Energieeffizienz im Fokus. Denn: Lässt sich durch den Einsatz eines einstufigen Filtersystems auf die Abscheidung in mehreren Stufen verzichten, ist der Gesamt-Druckverlust deutlich geringer. Mithilfe von Pre-Coatierungssystemen lassen sich bei den Filtern des Herstellers auch zum Verkleben neigende Stäube und Aerosole trocken abscheiden.

Donaldson setzt auf den Anstieg der Oberflächen-Filtrationsleistung durch den Einsatz vom auf Nanofasern basierenden Filtermaterial Ultra Web und seine Powercore-Technologie. Bei abgerundeten Filter-Packs kommt ein speziell darauf abgestimmtes Impulsabreinigungssystem zum Einsatz, mit dem abgeschiedener Staub hinausgeblasen wird. Die Kombination aus Filter und Impulsabreinigung führt zu einer hohen Filterleistung bei geringen Druckverlusten und somit einem sparsamen Einsatz von Energie.
Anwendern der Produkte von Intensiv-Filter stehen unterschiedliche Injektortypen zur Verfügung, mit denen sich die Reinigungsleistung bei Schlauchfiltern an die jeweilige Anwendung anpassen lässt. Der zweistufige Coanda-Injektor leitet die Druckluft durch einen Ringspalt und erreicht hohe Druckgradienten und Beschleunigungskräfte sowie einen hohen Anteil an sekundärer Luft.

Bei dem Ansatz von Schenck Process mit seinem MCF-Filtersystem werden die eingesetzten Schlauchfilter nicht mit Druckluft (6 bis 7 bar), sondern mit großen Volumenströmen, aber lediglich 0,5 bar Druck gereinigt. Viel Luft bei niedrigem Druck einzusetzen, ist günstiger als die Reinigung bei hohem Druck.

Heftausgabe: Februar 2012
Tina Walsweer, Redaktion

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