Optimierter Luftstrom spart Energie

Optimierter Luftstrom spart Energie
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10.05.2012 | Das Zementwerk der Lafarge Gruppe in Hope, England, rüstete vor kurzem auch die letzten beiden grösseren Antriebe seiner Produktionslinien mit einer elektronischen Drehzahlregelung aus. Die Umstellung der Kühlerventilatoren auf drehzahlvariablen Betrieb war der vorläufig letzte Schritt eines Energieeffizienzprogramms und erschliesst ein grosses Einsparpotenzial. Durch den Einsatz von Frequenzumrichtern an allen wichtigen Antrieben des Werks sank der Gesamtenergieverbrauch um mehr als 15 Prozent.

Zement ist ein wesentlicher Bestandteil von Beton. Das fein gemahlene, graue Pulver sorgt als hydraulisches Bindemittel dafür, dass Beton hart und widerstandsfähig wird. Der Bau von Wohn- und Geschäftshäusern, Brücken, Tunneln, Eisenbahntrassen oder Fernstrassen ist heute ohne diesen Baustoff kaum noch denkbar. Die wichtigsten Rohstoffe für die Herstellung von Zement sind Kalkstein und Ton. Sie werden in Steinbrüchen abgebaut, gemahlen und in bis zu 100 Meter langen Drehrohröfen bei Temperaturen von etwa 1450 Grad Celsius zu Zementklinker gebrannt, der anschliessend durch einen Luftstrom im Klinkerkühler auf eine Temperatur von unter 200 Grad Celsius abgekühlt wird. Durch Mahlen des Klinkers unter Zugabe von Gips und zum Teil weiteren Zusatzstoffen entsteht schliesslich Zement.

Das Werk im Hope Valley, etwa 25 Kilometer südwestlich der Stadt Sheffield mitten im Peak-District-Nationalpark gelegen, beschäftigt rund 200 Mitarbeiter und erreicht eine Jahresproduktion von bis zu 1,3 Millionen Tonnen. Es ist eines von sechs Werken, die das englische Tochterunternehmen des weltgrössten Zementherstellers und Baustoffkonzerns Lafarge in Grossbritannien betreibt. Seit dem Jahr 1929 wird an diesem Standort bereits Zement produziert. Im Rahmen eines Energieeffizienzprogramms hatte sich das Werk zum Ziel gesetzt, seinen Energieverbrauch erheblich zu senken. Dabei richteten die Ingenieure ihr besonderes Augenmerk auf die elektrische Antriebstechnik, die weltweit den grössten Anteil des industriellen Stromverbrauchs ausmacht. In einem Zementwerk sind dies zum Beispiel die Antriebe für Zementmühlen, Drehrohröfen, Kühlventilatoren, Pumpen, Speisewassersysteme, Förderanlagen und Zuführsysteme. Hohe Einsparpotenziale bieten vor allem die Antriebe von Strömungsmaschinen wie Pumpen und Lüfter, die in der Industrie und Gebäudetechnik oft ohne Drehzahlregelung betrieben werden. Das galt auch für zwei Ventilatoren zur Klinkerkühlung. Sie sollten als Abschluss einer werksweiten Umrüstung der Antriebssysteme ebenfalls auf drehzahlvariablen Betrieb umgestellt werden.
 

Bedarfsgerechte Drehzahlregelung

Das Zementwerk entschied sich, speziell auf die Anforderungen von Pumpen und Lüftern zugeschnittene Energiespar-Frequenzumrichter von Mitsubishi Electric in die Anlage einzubauen. Zwei Frequenzumrichter vom Typ FR-F740 mit jeweils 132 Kilowatt Leistung sorgen seitdem in den Klinkerkühlern für den optimalen Luftstrom. Zuvor regelten Drosselklappen die Luftdurchflussmenge, das heisst die Motoren selbst liefen auch bei geringen Fördermengen ständig mit Höchstgeschwindigkeit unter voller Leistungsaufnahme, während die Regelung des Luftstroms durch teilweises Schliessen der Klappen oder Leitbleche erfolgte. „Durch den Betrieb mit einem Frequenzumrichter lassen sich die Antriebe nun stufenlos und bedarfsgerecht regeln. So wird exakt der Luftstrom erzeugt, der für die laufende Produktion notwendig ist“, erklärt Mark Bramley, Bauleiter des Lafarge-Zementwerks in Hope. Das spart nicht nur erheblich Energie, sondern ermöglicht auch eine genauere Steuerung des Luftkreislaufs. „Die bisherige Kombination aus Drosselklappe und Stellmotor erwies sich hier als problematisch. Jetzt können wir die Frequenzumrichter direkt mit einer Systemsteuerung verbinden, um den Luftstrom zu optimieren und damit auch eine maximale Wärmerückgewinnung in den Klinkerkühlern erreichen“, so Bramley.

Zentrifugallüfter und Kreiselpumpen haben ein quadratisch mit der Drehzahl steigendes Drehmoment. Die Antriebsleistung ändert sich mit der dritten Potenz der Drehzahl. Reduziert man den Volumenstrom eines Ventilators mit einer elektronischen Drehzahlregelung – anstelle einer energieverzehrenden Drosselung – zum Beispiel von 100 auf 90 Prozent, verringert sich die Leistungsaufnahme des Antriebs auf etwa 70 Prozent. Bei einer Halbierung des Luftstroms sinkt der Energiebedarf des Motors um mehr als 85 Prozent. Bereits geringe Drehzahlabsenkungen bringen somit einen grossen Einspareffekt. Weitere Energiesparpotenziale eröffnen spezielle Kennlinien zur Energieoptimierung, mit denen sich die Verluste zusätzlich reduzieren lassen. Die von Mitsubishi Electric entwickelte OEC-Technologie (Optimum Excitation Control) spart zum Beispiel gegenüber herkömmlichen Frequenzumrichtern noch einmal rund zehn Prozent Energie zusätzlich. Die in allen Modellen der Baureihe FR-F700 mit Leistungen von 0,75 bis 630 Kilowatt integrierte Technologie versorgt den angeschlossenen Motor zu jeder Zeit mit dem optimalen magnetischen Fluss, was einen höchstmöglichen Wirkungsgrad zur Folge hat. Dies wirkt sich besonders positiv im unteren Drehzahlbereich sowie in der Hochlauf- und Bremsphase aus. Die Folge: Der Motor läuft äusserst netz- und mechanikschonend, lebt länger und arbeitet wirtschaftlicher.
 

Lange Lebensdauer

Angesichts der hohen Investitionskosten für die Errichtung eines Zementwerks und entsprechend langen Amortisationszeiten sind Effizienz und Zuverlässigkeit des Betriebs und aller technischen Einrichtungen für den wirtschaftlichen Erfolg des Unternehmens von entscheidender Bedeutung. „Die Zementproduktion zu stoppen, um ein defektes Teil auszutauschen, kann zu Lieferverzögerungen und verärgerten Kunden führen“, erläutert Mark Bramley. „Einige der heute in Betrieb befindlichen Frequenzumrichter von Mitsubishi Electric sind immer noch die ursprünglich installierten Geräte der Z-Serie aus den 1980er-Jahren. Statt der damals erwarteten Lebensdauer von drei Jahren funktionieren sie auch noch nach 20 Jahren einwandfrei.“

Die Wartungsarbeiten beschränken sich auf jährliche Funktionsprüfungen, eine monatliche Reinigung der Luftfilter, die den feinen Zementstaub von den Kühlkörpern fernhalten, sowie einen vorsorglichen Austausch der Gerätelüfter alle fünf Jahre. überwacht werden die meisten Frequenzumrichter durch speicherprogrammierbare Steuerungen von Mitsubishi Electric, von denen einige ebenso lange in Betrieb sind wie die ältesten Frequenzumrichter. „Ein weiterer grosser Vorteil ist, dass alle Geräteserien von Mitsubishi Electric immer abwärtskompatibel sind“, betont der Elektroningenieur. „Führt das Unternehmen eine neue Gerätegeneration ein, wie zuletzt die vier Baureihen der aktuellen 700er-Serie, so können wir die alte Antriebseinheit ohne grossen Aufwand herausziehen und durch ein modernes Gerät mit fortschrittlichen Funktionalitäten und besserer Leistung ersetzen.“
 

Niedrigere Energie- und Betriebskosten

Die robuste und zuverlässige Technik der Geräte überzeugte die Verantwortlichen. Heute sind mehr als 140 Frequenzumrichter von Mitsubishi Electric im gesamten Werk installiert. Alle wichtigen Antriebe der Anlage sind mit einer elektronischen Drehzahlregelung ausgestattet. So lassen sich Abläufe und Prozesse nicht nur sehr präzise regeln, sondern auch die Produktivität und Wirtschaftlichkeit der Anlage verbessern. Allein durch die Umstellung der Kühlerventilatoren und anderer Motoren auf drehzahlvariablen Betrieb sank der Gesamtenergieverbrauch des Werks um mehr als 15 Prozent – und damit auch die energiebedingten Kohlendioxidemissionen. Für das Unternehmen bedeutet dies eine erhebliche Ersparnis, denn in der Zementindustrie beträgt der Anteil der Energiekosten an den Herstellkosten etwa 30 Prozent und ist daher auch ein permanenter Anreiz zur Steigerung der Energieeffizienz.

Ein anderes Problem liess sich durch die elektronische Drehzahlregelung mit Frequenzumrichtern ebenfalls lösen. Ein Zementwerk mit einer Jahresproduktion von 1,3 Millionen Tonnen Zementklinker benötigt rund zwei Millionen Tonnen Rohstoffe, davon etwa 80 Prozent Kalkstein. Bei diesen gewaltigen Mengen sind lange Transportwege zwischen Steinbruch und Zementwerk unwirtschaftlich. Wie das Lafarge-Werk in Hope liegen deshalb die meisten Zementwerke in unmittelbarer Nähe der Kalksteinvorkommen. Der Standort mitten im Peak-District-Nationalpark stellt das Team um Bauleiter Mark Bramley jedoch vor eine besondere Herausforderung, denn die Anlage steht am Ende eines langen Stromverteilungsnetzes. Der Start grosser Asynchronmaschinen direkt am Netz verursacht hohe Anlaufströme und so kam es früher in der Fabrikanlage häufiger zu erheblichen Spannungsabsenkungen. „Das war einer der wesentlichen Gründe, warum das Werk damals die ersten grossen Frequenzumrichter mit Leistungen bis zu 375 Kilowatt für Kühler und Brennöfen installiert hat“, erinnert sich Bramley.

Der Betrieb am Umrichter schützt vor über- und Unterspannungen und schont die Motoren. Stromspitzen beim Hochfahren und thermische überlastungen werden vermieden und das gesamte Antriebssystem durch den sanften An- und Auslauf entlastet. Dadurch verringert sich der Verschleiss der Motoren und der mechanischen Antriebselemente. Das spart Kosten für Reparatur und Wartung, verlängert die Lebensdauer der Komponenten und erhöht die Verfügbarkeit der Anlage. Bei allen Vorteilen, die eine elektronische Drehzahlregelung bietet, bleibt jedoch angesichts steigender Strompreise und ehrgeiziger Umweltschutzziele das enorme Energiesparpotenzial speziell bei Lüfter- und Pumpenantrieben eines der wichtigsten Argumente für den Einsatz von Frequenzumrichtern.

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