zurück zu News

Elektromotoren und Antriebe in der Wasserwirtschaft

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. Markus Kutny, Produktmanager für Energy Efficient Solutions bei Bauer Gear Motor, erklärt die Vorteile höherer Motorwirkungsgrade und, wie sich Betriebskosten senken lassen.

Schätzungen zufolge werden 90 % der auf die Wasserwirtschaft entfallenden elektrischen Energie in der Industrie für den Antrieb von Elektromotoren verbraucht. 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.

IE4 Super Premium Efficiency PMSM Series

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

Einhaltung der Standards

In vielen Ländern gelten für technische Einrichtungen und Prozesse in der Wasseraufbereitung gewisse Mindeststandards, die Versorgungsunterbrechungen soweit wie möglich ausschließen sollen. In Großbritannien gilt ein besonderes Normenpaket namens ‚Water Industry Mechanical and Electrical Specification' (WIMES), welches von Elektromotoren und der zugehörigen Steuertechnik 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 einen unmittelbar positiven Effekt auf die Betriebskosten. In den vergangenen Jahren hat man sich auf Wirkungsgradverbesserungen bei Elektromotoren konzentriert, was zum Teil an den neuen Vorschriften für Hersteller und Anwender lag.

Die Einführung der IE3-Vorschriften und die erwartete Einführung von IE4 sind 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.

Obwohl die Gesetzgebung für IE3-Motoren über 7,5 kW erst im Januar 2015 in Kraft getreten ist, bieten einige Hersteller bereits ein Produkt der Klasse IE4 Super Premium Efficiency an, Bauer 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 z. B. einem Permanentmagnet-Synchronmotor (PMSM). Derartige Bedenken können durch Prüfung der möglichen Kosteneinsparungen und Investitionsrendite (Return on Investment, ROI) sowie sorgfältige Abstimmung aller neuen Motoren auf die jeweilige Anwendung ausgeräumt werden.

Besonders unter Teillastbedingungen sind die Bauer-Motoren der PMSM-Bauart deutlich effi¬zienter als Induktionsmotoren und erreichen hier nachweislich Energieeinsparungen von mehr als 30 %. Darüber hinaus zeichnen sie sich durch eine deutlich höhere Leistungsdichte aus, die bei Getriebemotoren bei minimalem Einbauvolumen für eine höhere Systemleistung sorgt.

Weitere Verbesserungen

Im Hinblick auf den Gesamtwirkungsgrad eines Antriebssystems mit Elektromotor muss aber auch die mechanische Komponente untersucht werden, denn hier besteht erhebliches Optimierungspotenzial. Integrierte Getriebemotoren machen externe Kupplungen und Lager überflüssig und erreichen eine nahezu verlustfreie Übertragung. Gleichermaßen haben Kegelstirnradgetriebe Vorteile gegenüber Schneckengetrieben, denn sie sind effizienter und haben in den meisten Anwendungsfällen eine längere Nutzungsdauer.

In vielen Fällen profitieren die Antriebssysteme von Absetzbecken, Filterbecken und Eindickern von höheren mechanischen Wirkungsgraden, und die Investitionskosten amortisieren sich schnell durch deutlich reduzierte Gesamtbetriebskosten. Durch enge Zusammenarbeit mit dem Anbieter und Auswahl aus einem modular aufgebauten Produktsortiment kann das neue Antriebssystem perfekt an die Anforderungen der jeweiligen Anwendung angepasst werden. 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 größeren Versatz ausgleichen und fungieren als Tor¬sionsdämpfer. 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.

ASM and PMSM IE to IE3 25Hz Chart

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

ASM and PMSM IE2 and IE3 6Hz Chart

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

Wirkungsgradsteigerungen

Der Wirkungsgrad im Betrieb hat erheblichen Einfluss auf die Betriebskosten: Ein typischer IE2-Asynchronmotor verursacht über die Nutzungsdauer ca. das 100-fache seines Anschaffungspreises an Elektrizitätskosten. Nach Prüfung der mechanischen Optimierungsmöglichkeiten und entsprechenden Maßnahmen können u. U. 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.

Altra Industrial Motion hilft Anbietern von Abwassertechnik und Betreibern von Wasseraufbereitungsanlagen in aller Welt, die Effizienz ihrer Einrichtungen zu erhöhen und zugleich Kosten und Ausfallzeiten zu reduzieren. Gruppenunternehmen wie Bauer Gear Motor, TB Wood's, Bibby Turboflex und Boston Gear liefern Komplettlösungen für Antriebsstränge in der Abwasserwirtschaft. Hierfür halten sie ein umfangreiches Angebot an Kupplungen, Getriebemotoren, Untersetzungsgetrieben und Riemenantrieben bereit.