Standort: Mittelneufnach in der Nähe von Augsburg, Deutschland
Challenge: Senkung der hohen Energie und Wartungskosten für das Pumpenhaus des Zweckverbandes Stauden-Wasserversorgung
Lösung: Steuerung der IE4 Motoren mit Frequenzumrichtern PowerXL DG1
Ergebnis: Senkung der Energiekosten für den Zweckverband um rund 15%
„Insgesamt konnten wir durch das Zusammenspiel der IE4-Motoren mit den DG1-Umrichtern für den Zweckverband Stauden- Wasserversorgung die Energiekosten um rund 15 Prozent reduzieren. Bei 5.000 Betriebsstunden, die jeder Antrieb im Schnitt pro Jahr läuft, bedeutet das eine große Einsparung.”
Rund 2,4 Millionen Kubikmeter naturreines Trinkwasser pro Jahr fördert der Zweckverband Stauden-Wasserversorgung. Sein Wasserwerk befindet sich in Mittelneufnach, in dem landschaftlich wertvollen und interessanten „Naturpark Augsburg Westliche Wälder“; den sogenannten „Stauden“. Der Verband versorgt 37.000 Einwohner in 21 Städten und Gemeinden. Um den zeitlich schwankenden Wasserbedarf mit zum Teil extremen Verbrauchsspitzen abdecken zu können, sind drei Hochbehälter mit insgesamt 6.500 m³ Fassungsvermögen erforderlich. Über ein weitverzweigtes Netz mit rund 570 Kilometern gelangt das Wasser in die Haushalte.
Hohe Energie- und Wartungskosten
Zwischen 2 und 2,5 Millionen Kilowatt-Stunden Energie wurden bisher im Pumpenhaus des Zweckverbands Stauden-Wasserversorgung verbraucht, um die angeschlossenen 37.000 Einwohner mit rund 2,4 Millionen Kubikmeter naturreinem Trinkwasser pro Jahr zu versorgen. Ein immenser Kostenfaktor für den Zweckverband. Ein Großteil des Stroms wurde für den Antrieb der drei Reinwasser-Pumpen benötigt, die das aufbereitete Wasser in das Leitungsnetz befördern und zugleich drei Hochbehälter auffüllen.
Regelung über Schieber verschwendet Energie
Der nach heutigen Maßgaben hohe Energieverbrauch war auf die Antriebstechnik zurückzuführen, die nicht mehr Stand der Technik war, aber auch heute noch in vielen Wasserwerken ähnlich eingesetzt wird. Der Antrieb der Pumpen erfolgte über konventionelle Elektromotoren mit je 55 Kilowatt Leistung, die über Motorstarter geschaltet wurden. Die Fördermenge des Systems wurde stufenweise erhöht, indem ein bis drei Pumpen zugeschaltet wurden. Um in der Anfahrphase Druckstöße zu vermeiden, regelten Schieber die Durchflussmenge: Beim Hochfahren blieb der Schieber, der den Durchfluss zum Leitungsnetz regelte, zunächst geschlossen. Erst wenn die Pumpe ihre volle Leistung erreicht hatte, öffnete er sich langsam, so dass auch der Druck im Leitungssystem nur allmählich zunahm. Das bedeutete allerdings, dass in der Hochfahrphase die Pumpe „gegen“ den geschlossenen Schieber arbeitete, die vom Motor eingebrachte Energie also nicht zur Wasserförderung genutzt werden konnte.
Energetisch besonders ungünstig war, dass mit dieser Antriebstechnik die Pumpen nicht am optimalen Arbeitspunkt, sprich energieeffizientesten Punkt, betrieben werden konnten, da die Drehzahl der Pumpen sich nicht verändern ließ – die Pumpen liefen entweder gar nicht oder mit voller Leistung. Wurde kein Wasser benötigt, verhinderte eine Rückschlagklappe das Zurückdrücken des Wassers aus dem Netz. Beim Ausschalten der Pumpen reduzierten die Schieber den Rückschlag. Trotzdem führte das Abschalten in der Vergangenheit stets zu erhöhtem Verschleiß an der Rückschlagklappe.
Der Zweckverband entschloss sich daher 2018 eine umfassende Modernisierung des Maschinenhauses durchzuführen, mit dem Ziel die Gesamt-Lebenszykluskosten der Anlage zu senken. Im Fokus stand dabei vor allem die Verbesserung der Energieeffizienz. Den Auftrag dazu erhielt die Aquatech AG mit Sitz im bayerischen Regen. Das Unternehmen für Elektro-, Antriebs- und Automatisierungstechnik hat sich besonders auf technische Anlagen der Trinkwasserversorgung, Abwasserentsorgung und Erneuerbare Energien spezialisiert und ist Eaton Solution-Partner für Antriebstechnik im Südosten von Deutschland.
Ausschlaggebend für den Einsatz des DG1 war für Aquatech aber, mit dem DG1 ein „All-inclusive-Paket“ zu bekommen:
So verfügt der robuste und einfach zu bedienende Frequenzumrichter zum Beispiel über einen internen EMV-Filter nach C2 für den Anschluss an das öffentliche Netz, ist standardmäßig für nahezu alle Applikationen gerüstet und steht auch in einer Variante mit IP54 zur Verfügung. Damit konnte Aquatech den Frequenzumrichter direkt im Pumpenraum platzieren – ohne Schaltschrank. So ist auch kein zusätzliches Kühlsystem für den die Frequenzumrichter nötig, was zusätzlich Energie spart.
Kommunikationsschnittstellen inklusive
„Zudem war die Inbetriebnahme sehr einfach“, wie Markus Huber von der Anlagenprojektierung bei Aquatech betont. Denn der Installateur kann bei vielen Anwendungen den DG1 „direkt aus der Box“ ohne aufwändige Parametrierung vor Ort in Betrieb nehmen. Eine übersichtliche Menüführung auf der fünfzeiligen LCD-Anzeige, selbsterklärende Typenschlüssel sowie die geringe Anzahl von nur 18 Standardparametern vereinfachen die Inbetriebnahme der Umrichter deutlich. Zudem verfügt der DG1 serienmäßig über verschiedene Kommunikationsprotokolle, so dass er ohne zusätzliche Hardware sofort vernetzt werden kann:
„Dank der integrierten Ethernet IP Schnittstelle haben wir direkten Zugriff auf die einzelnen bei Staudenwasser installierten Frequenzumrichter“, so Huber. „Damit können wir einfach eine Fernwartung der Anlage und somit eine hohe Verfügbarkeit realisieren.“ Die komplette Steuerung und Überwachung des Pumpwerks erfolgt über eine SPS und ein Prozessleitsystem, an das die Frequenzumrichter über Modbus TCP angeschlossen sind. So können sämtliche Antriebsparameter auch vom Leitsystem überwacht werden.
Sanftes Anfahren ohne Schieber
Durch die Kombination des DG1 Umrichters mit den IE4-Motoren können die Pumpen jetzt drehzahlgeregelt arbeiten: Beim Hochfahren erhöht sich die Pumpleistung so nur allmählich, Spannungsspitzen und Druckstöße wie beim alten System entstehen nicht mehr. Tatsächlich kann das Wasserwerk heute auf den Einsatz der Schieber beim Hochfahren komplett verzichten. Auch beim Herunterfahren bietet die Lösung den Vorteil, dass Druckänderungen im Leitungssystem nicht schlagartig auftreten – dank der Ansteuerung über die Frequenzumrichter reduzieren die Pumpen ihre Leistung allmählich. So schließen die Rückschlagventile entsprechend „sanft“ – dadurch sinkt der Verschleiß der Klappen erheblich.
Betrieb im optimalen Betriebszustand
Den größten Effekt zur Senkung der Kosten erzielt die neue Antriebslösung allerdings dadurch, dass heute die Pumpen immer im optimalen Betriebszustand bei 42 bis 53 Hertz betrieben werden können.
Dazu berechnet das Prozessleitsystem die für das Auffüllen der Hochbehälter notwendige Wassermenge und ermittelt darauf basierend die notwendige Anzahl der Pumpen unter Berücksichtigung ihrer Förderleistung im optimalen Betriebszustand – und reduziert damit den Energieverbrauch im Vergleich zur alten Lösung erheblich.
Zusätzlich spart das Wasserwerk auch Energie bei der Trinkwasseraufbereitung: Hier wird das Brunnenwasser über zwei Drehschiebeverdichter belüftet – der so zugeführte Sauerstoff oxidiert mit den im Wasser gelösten Eisen- und Manganteilchen und bildet Flocken, die anschließend herausgefiltert werden.
Auch hier hat Aquatech die bisher eingesetzten konventionellen 5,5 Kilowatt-Antriebe der Verdichter durch IE4-Motoren ersetzt, die über DG1-Frequenzumrichter angesteuert werden.
Damit hat Aquatech eine Lösung realisiert, die die komplette Förderstrecke vom Brunnen über Aufbereitung und Förderung bis hin zum Hochbehälter optimal aufeinander abstimmt.
Resümee des Kunden:
„Insgesamt konnten wir durch das Zusammenspiel der IE4-Motoren mit den DG1-Umrichtern für den Zweckverband Stauden- Wasserversorgung die Energiekosten um rund 15 Prozent reduzieren. Bei 5000 Betriebsstunden, die jeder Antrieb im Schnitt pro Jahr läuft, bedeutet das eine große Einsparung“, so Markus Huber.
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