Bauer PMSM-Technologie und Allweiler-Pumpen helfen der Kläranlage Stendal, energieautark zu werden.

Kommunen in ganz Europa sind bestrebt, ihren Energieverbrauch zu senken und ihren CO2-Fußabdruck zu minimieren. Die Erzeugung von Biogas aus der Abwasserbehandlung eröffnet den Betreibern die Möglichkeit, sich selbst zu versorgen. Jedoch hängt die Autarkie von der Verwendung effizienter Ausrüstung ab.

Als führender Getriebemotoren-Hersteller hat Bauer Gear Motor in Zusammenarbeit mit Allweiler den Energieverbrauch von Exzenterschneckenpumpen in der Kläranlage Stendal durch den Einbau hochwirksamer Permanentmagnet-Synchronmotoren (PMSM) enorm reduziert.

Sehen Sie hier das Video zur Fallstudie.

Bis 2025 will die Kläranlage in Stendal komplett energieautark sein. Der Standort verfügt über eine Biogasproduktionsanlage, die CO2-arme Energie aus Abfallstoffen erzeugt. Der bei der Abwasserreinigung anfallende Schlamm wird in Speichertanks gepumpt und der Biogasanlage zugeführt.

Um die Abhängigkeit vom Stromnetz zu reduzieren und den Anteil der mit kohlenstoffarmer Energie betriebenen Anlagen zu erhöhen, analysierten die Standortbetreiber das Verbesserungspotential ihrer Anlagenstruktur. Der Exzenterschneckenpumpen-Bestand wurde schnell als Bereich mit Optimierungsbedarf identifiziert.

Mithilfe von Exzenterschneckenpumpen (auch Progressiv-Hohlraumpumpen genannt) werden die großen Mengen Schlamm transportiert, die bei der Abwasserreinigung anfallen. Diese Pumpenausführung ist vorteilhafter, da sie unanfällig gegen Verstopfungen ist und Flüssigkeiten mit Feststoffgehalt aufnehmen kann. Exzenterschneckenpumpen arbeiten rund um die Uhr und ermöglichen kontinuierliche Abwasserbehandlungsprozesse.

Allerdings benötigt man für den Dauerbetrieb große Mengen an Energie. Zudem arbeiten diese Pumpen häufig mit niedrigen Drehzahlen, was eine geringe Motoreneffizienz zur Folge haben kann. Mit dem erklärten Ziel der Energieautarkie wollten die Betreiber der Kläranlage Stendal die Wirtschaftlichkeit dieser Pumpen weiter steigern, um ihren Gesamtenergiebedarf zu senken. Glücklicherweise stand bereits eine bewährte Lösung bereit.

„Wir sind ein weltweit führender Anbieter von Getriebemotortechnologien“, erklärt Marc Piwko, Großkundenbetreuer bei Bauer Gear Motor – einer der führenden Marken der Altra Industrial Motion Corp. Dies wird durch unsere PMSM-Baureihe veranschaulicht, die eine außergewöhnliche Effizienz über die gesamte Leistungskurve hinweg bietet. Diese Motoren sind ideal für den Dauerbetrieb, wo die Betreiber den Energieverbrauch senken und die Kosteneffizienz maximieren wollen.”

Mit den installierten PMSM verbrauchten die Pumpen 24 % weniger Energie , wenn sie primär Schlamm förderten, verglichen mit einem IE3-Asynchronmotor.

Bauer PMSM verfügen über ein unglaublich effizientes Rotordesign, das auf optimierte Permanentmagnete abgestimmt ist und gegenüber herkömmlichen Konstruktionen einen deutlichen Leistungs- und Effizienzvorteil bietet. Es gibt keine Wärmeverluste durch den Rotor, die Gesamtverluste sind um 25 % geringer. Die Betreiber profitieren in der Regel von einer beständigen Verbesserung des Motorwirkungsgrads von über 10 % im Vergleich zu herkömmlichen Antriebssystemen. PMSM von Bauer erfüllen die IE3-, IE4- und sogar IE5-Effizienzstandards gemäß IEC TS 60034-30-2.

Ein entscheidender Vorteil von PMSM in Exzenterschneckenpumpenanwendungen besteht darin, dass sie ein hohes Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen mit erhöhtem Wirkungsgrad liefern. In Stendal laufen die Pumpen in der Regel mit etwa 25 Hz, um den Verschleiß zu reduzieren und eine Leistungsreserve für hohe Wassermengen zu bieten – eine Frequenz, bei der ein Asynchronmotor überdimensioniert werden müsste, um das erwünschte Drehmoment zu erreichen, was wiederum zu Energie-Ineffizienz führt. Aufgrund ihrer inhärenten Eigenschaften unter Teillast können PMSM-Antriebe jedoch bei dieser Drehzahl bei geringerer Motorgröße das volle Moment liefern. Schon beim Anfahren steht ein hohes Drehmoment zur Verfügung, ideal für Pumpenanwendungen. Darüber hinaus können die Betreiber bei Teillast mit Energieeinsparungen von mehr als 30 % im Vergleich zu Asynchronmotoren rechnen.

Diese Vorteile sind auch der deutschen Niederlassung von CIRCOR, der Allweiler GmbH, einem führenden Pumpenhersteller nicht verborgen geblieben, der bereits mit Bauer zusammengearbeitet hat, um seine Pumpen mit PMSM zu kombinieren. Im Jahr 2017 testeten beide Unternehmen eine Anlage in der Kläranlage Bayreuth, die eine erhebliche Effizienzsteigerung brachte.

Für Stendal hat Allweiler Exzenterschneckenpumpen der Baureihe AE2E entwickelt, die auch hochviskose oder aggressive Flüssigkeiten mit hohem Feststoff- und Fasergehalt fördern können und sich daher bei den Abwasserunternehmen großer Beliebtheit erfreuen. Die Pumpen haben außerdem eine hohe Verschleißfestigkeit, was die Lebensdauer verlängert.. Diese wurden an Bauer BG30 Stirnradgetriebe mit PMSM gekoppelt und im Keller des Pumpenhauses der Anlage installiert.

„Ein weiterer Vorteil des PMSM-Designs ist die hohe Leistungsdichte. Das bedeutet, dass wir Motoren effektiv und ohne Leistungseinbußen verkleinern und gleichzeitig effizienter arbeiten lassen können. Bei Stendal konnten wir den ursprünglichen 5,5-kW-Asynchronmotor auf einen 3-kW-Motor verkleinern”, so Marc.

„Darüber hinaus bedeutet die geringe Wärmeentwicklung der PMSM , dass Fremdbelüftungskomponenten eingespart werden, was einen weiteren Mehrwert bedeutet.“

Bis 2025 will die Kläranlage in Stendal vollständig energieautark sein und und installiert daher neue, effiziente Anlagen

Die Vorteile des Umstiegs auf Allweiler-Pumpen mit Bauer-PMSM-Getriebemotor sind anhand der Daten eindeutig erkennbar, wie Micheal Riske, Leiter der Abteilung für Wasser- und Abwasserbehandlung bei Stendal, erklärt: „Wir haben zwei baugleiche Pumpen jeweils einen Monat lang abwechselnd mit einem PMSM-Antrieb und einem IE3-Asynchronmotor laufen lassen und dabei den Strombedarf und die Vorschlammförderung miteinander verglichen. Dabei haben wir festgestellt, dass die Pumpe mit der PMSM-Technologie 24 % weniger Energie verbraucht hat.”

Während der Untersuchung benötigte die PMSM-Pumpe 495,3 kW Energie, um 2.410 m3 Vorschlamm zu bewegen. Der IE3-Asynchronmotor benötigte 729,3 kW für das Pumpen von 2699,5 m3 Schlamm. Dies entspricht 4,866 m3 pro kW für den PMSM und 3,7 m3 pro kW für den IE3-Motor. Bei Stendal können die Allweiler-Exzenterschneckenpumpen fast ein Drittel mehr Schlamm bei gleicher Leistung fördern. Bauer-Getriebemotoren verbesserten nicht nur die Energieeffizienz, sondern auch die Leistung der Anwendung.

Klaus Kaiser, Vertriebsingenieur bei Allweiler, greift bei mehreren seiner Installationen auf diese Erkenntnisse zurück und fügt hinzu: „Unserer Erfahrung nach dauert es nicht länger als sechs Monate, bis sich die Investition in PMSM amortisiert hat.“

Tatsächlich sorgte der geringe Stromverbrauch der Antriebe in Stendal dafür, dass der ROI bereits nach drei Monaten erreicht wurde. Das senkt den Energieverbrauch, steigert die Leistung und ist ein Riesenschritt hin zu einer kohlenstoffarmen Energieversorgung am Standort.