Antriebstechnik Innovative Antriebslösung steigert Effizienz von geregelten Drucklufterzeugersystemen

Autor / Redakteur: Thilo Krebs und Thomas Horn / Dr. Jörg Kempf

Effizient, effizienter, am effizientesten! Kaum woanders wird so fleißig am Effizienzgrad gefeilt wie in der Drucklufterzeugung. An vorderster Front dabei: die Druckluftexperten von Kaeser. In Zusammenarbeit mit Siemens ist nun ein großer Wurf gelungen. Die innovative Antriebslösung vereint von Synchron- und Asynchronmotor das Beste.

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Runter mit dem Energieverbrauch: Die Notwendigkeit eines immer effizienteren Umgangs mit Ressourcen, steigende Energiekosten, neue Versorgungsmodelle und strenge Umweltauflagen machen energieeffiziente Lösungen unverzichtbar.
Runter mit dem Energieverbrauch: Die Notwendigkeit eines immer effizienteren Umgangs mit Ressourcen, steigende Energiekosten, neue Versorgungsmodelle und strenge Umweltauflagen machen energieeffiziente Lösungen unverzichtbar.
(Bild: © alexlmx; © nattaplan / Fotolia.com [M]-Alban)

Unser Ansporn ist der hohe technologische Anspruch, für den Kaeser Kompressoren weltweit bekannt ist“, betont Wolfgang Hartmann, Leiter Internationales Marketing und Technik-Experte bei dem Familienunternehmen aus Coburg. Hintergrund seiner Aussage ist die stetige Optimierung der Druckluft-erzeugungssysteme und deren hoher Effizienzgrad. Beispielsweise hat Kaeser schon vor vielen Jahren – lange bevor die heute geltenden gesetzlichen Regelungen in Kraft getreten sind – seine Kompressoren-Baureihen auf energiesparende IE3-Elektromotoren umgestellt und damit seine Vorreiterrolle als Druckluft-Systemanbieter gestärkt. In den vergangenen zwei Jahren wurde die Energieeffizienz sukzessive weiter erhöht, indem alle Kompressoren im Leistungsbereich von 30 bis 315 kW auf High-Efficiency-Elektromotoren der Energieeffizienzklasse IE4 umgestellt wurden.

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Zur diesjährigen Hannover Messe folgte der nächste Schritt: Das Unternehmen präsentierte die drehzahlgeregelten Schraubenkompressoren der ASD-Baureihe mit einer neuen Antriebstechnik – eine Gemeinschaftsentwicklung mit dem Systempartner Siemens. Dadurch verbessert sich der Wirkungsgrad im Teillastbereich um bis zu zehn Prozent. Für Hartmann ein weiterer Meilenstein: „Dieses seit Jahrzehnten bekannte Antriebsprinzip ist nun technisch so perfekt in Serienmotoren realisiert, dass Anwender weltweit davon profitieren.“

Geregelte Antriebslösung mit hohem Systemwirkungsgrad

„Aus unserer Sicht ist eine solche systematische Effizienzerhöhung im Teillastbereich die logische Konsequenz aus den Klimaschutzbestrebungen wie sie sämtliche Regierungen weltweit in ihren Klimaprotokollen beschließen“, betont Hartmann und spannt damit den Bogen zur technologischen Umsetzung: „Mit unserer drehzahlgeregelten Variante der ASD-Baureihe bieten wir Kunden weltweit den Einstieg in ein Minimum an Energieverbrauch – und Betriebskosten.“

Denn häufig sind Druckluftstationen modular aufgebaut: Stetig laufende Kompressorsysteme mit IE3- und IE4-Motoren übernehmen dabei die Grundlastversorgung, zusätzliche Spitzenlastkompressoren decken flexibel den erhöhten Druckluftbedarf ab – effizient im Verbund geregelt durch den Sigma Air Manager 4.0 von Kaeser. Dies geschieht künftig mit Synchronreluktanz-Antriebssystemen von Siemens mit besonders hohen Wirkungsgraden im Teillastbereich.

Als Praktiker weiß Hartmann um die Bedeutung der neuen Motoren. Entwickelt wurden sie vor dem Hintergrund, dass die neue Norm EN 50598 nicht nur die Einzelwirkungsgrade von Antrieben mit einbezieht, sondern die Systemwirkungsgrade in den Mittelpunkt der ökologischen Betrachtung rückt und somit frequenzgeregelte Antriebslösungen nach ihrer ganzheitlichen Wirksamkeit beurteilt.

Was ist grundlegend anders bei der Synchronreluktanz-Technologie, die auf der Plattform der Simotics GP/SD von Siemens basiert? Das erfahren Sie auf der nächsten Seite ...

Vorteile von Asynchron- und Synchronmotoren in einem Antrieb vereint

Was ist grundlegend anders bei der Synchronreluktanz-Technologie, die auf der Plattform der Simotics GP/SD von Siemens basiert? Die Standardmotorenreihe vereint die Vorteile von Asynchronmotoren und Synchronmotoren in einem Antrieb. Im Läufer werden weder Aluminium, Kupfer noch teure Seltene-Erden-Magnete verwendet, sondern Elektrobleche mit spezieller Profilierung aneinander gereiht. Das macht den Antrieb robust und servicefreundlich, wie man es von Asynchronmaschinen her kennt.

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Das können Sie einsparen
  • Bis zu 10 % bessere Wirkungsgrade im Teillastbereich erreichen die neuen Synchronreluktanzmotoren, die mit IES2 in der neuen Energieeffizienznorm EN 50598 eingruppiert sind.
  • Rund 450 €/Jahr an Energiekosten können dadurch beim Einsatz der Schrauben­kompressoren der ASD-Baureihe durchschnittlich eingespart werden (gerechnet bei rund 6000 Betriebsstunden und 10 Cent pro Kilowattstunde).

Dagegen sind die Regeleigenschaften mit denen von Synchronmotoren vergleichbar: Reluktanzmotoren weisen aufgrund der spezifischen Läuferkonstruktion eine hohe Dynamik auf. Im Läufer findet keine zusätzliche Erwärmung aufgrund von Stromfluss statt. Entscheidend ist die optimale Anpassung des gesamten Antriebssystems, also von Frequenzumrichter und Motor. Hier setzt Kaeser auf den Sinamics G120, der mit einem speziell angepassten Regelalgorithmus auf den Motor angepasst wurde und zusammen das Synchronreluktanz-Antriebssystem bildet. Diese Kombination ist optimal aufeinander abgestimmt und schafft so die Möglichkeit der maximalen Energieeinsparung.

Hartmann berichtet: „Zusammen mit unserem Entwicklungspartner Siemens haben wir diese innovative Antriebsvariante so weit optimiert, dass nun Drehzahlen bis in die Größenordnung von 4000 Umdrehungen pro Minute möglich sind.“ Das bedeutet neben der Energieeffizienz: Leistungssteigerung bei gleicher Baugröße. Interessant ist in diesem Zusammenhang, dass sich die Gehäuse- und Fußabmessungen des Synchronreluktanz-Motors nicht vom Asynchron-Motor unterscheiden. Kurzum: Die direkte Substitution ist ohne großen Engineering-Aufwand möglich; Anwender können sich also je nach Anwendung flexibel für die eine oder die andere Antriebslösung entscheiden. „Ein solches Systemdenken unterstreicht unsere Standardisierungsstrategie“, ergänzt der Experte bei Kaeser.

Spürbar mehr Performance bei gleicher Baugröße

Während die Kompressoren bisher mit Frequenzumrichter und IE3-Energiesparmotoren nach dem Asynchronprinzip ausgerüstet wurden und somit ökologisch die Speerspitze der Drucklufterzeugung bilden, „wollen wir in den nächsten Jahren weitere Leistungsklassen mit Reluktanzmotoren ausrüsten“, betont Hartmann. Oder anders formuliert: bei gleicher Baugröße spürbar mehr Leistung. Dabei liefert Siemens an Kaeser eine vollständig getestete, abgestimmte und optimierte Systemlösung. Ebenso zeigt der Wirkungsgradvergleich (im Diagramm, siehe Bildergalerie, am Beispiel eines 30 kW Motors), was heute bereits möglich ist.

Beispielsweise treten im Läufer prinzipbedingt kaum Wärmeverluste auf, so dass die Lagertemperatur spürbar geringer ist. Das wirkt sich positiv auf die Lebensdauer und somit auf die Servicefreundlichkeit sowie die Verfügbarkeit der Antriebe aus. Hartmann bestätigt: „Durch die optimale thermische Auslastung der Motoren ergeben sich damit noch längere Serviceintervalle als wir sie bisher schon anbieten.“ Auch die Entwärmung der Schaltschränke profitiert davon, so dass auch hier weniger Abwärme nach draußen geführt werden muss. Aufgrund des Einsatzes drehzahlgeregelter Lüfter in Drucklufterzeugungssystemen bei Kaeser ergeben sich somit zusätzliche Einspareffekte.

Fazit

Mit den neuen Synchronreluktanz-Motoren erhalten Anwender ein Maximum an Flexibilität hinsichtlich Einsatzfall bzw. Umgebungsbedingungen, aber auch in Bezug auf das Lastverhalten. Damit betritt Siemens – neben den hocheffizienten IE4-Asynchronmotoren – eine weitere Stufe der Energieeffizienzsteigerung in der Antriebstechnik und sorgt für ökologischen Wettbewerbsdruck. Wolfgang Hartmann freut sich: „Ökologische Argumente sind bei qualitativ hochwertigen Verdichterlösungen die wichtigsten, um die Industrie in eine nachhaltige Zukunft zu begleiten.“

Tipp der Redaktion: Apropos Energieeffizienz – kennen Sie bereits das Energy Excellence Forum? Einen Bericht von der diesjährigen Veranstaltung finden Sie hier:

* Die Autoren sind Mitarbeiter der Siemens AG, Division Digital Factory/Process Industries and Drives, Nürnberg bzw. Bayreuth.

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