Progressive Motorenwahl für maximale Effizienz im Kühlturm

Teil der Infrastruktur von Schweizer Zucker am Standort Aarberg ist ein Kühlturm. Er kühlt das Prozesswasser, das in einem weitgehend geschlossenen Kreislauf zirkuliert. Ein Grossteil des in der Produktion eingesetzten Wassers stammt aus den Zuckerrüben selbst, die zu rund 65 Prozent aus Wasser bestehen und hier zu Zucker verarbeitet werden.

Kühlturm für Prozesswasser

Für die Kühlung in dem Turm sorgen zwei grosse Ventilatoren, die Umgebungsluft zuführen. Ihr Antrieb erfolgte über 50 Jahren lang durch zwei konventionelle Asynchronmotoren. Diese waren über ein Getriebe mit den Ventilatoren gekoppelt. «Grosse Kühlturmventilatoren drehen vergleichsweise langsam, Standard-Industriemotoren sehr schnell», erklärt Lukas Möri von Schweizer Zucker in Aarberg. «Deshalb brauchte es ein mechanisches Getriebe, um die hohe Motordrehzahl auf die benötigte Ventilatordrehzahl zu übersetzen.»

Frequenzumrichter gab es zur Zeit der Installation dieser Elektromotoren noch nicht. Zum Einsatz kamen so genannte Dahlander-Motoren. Mit der Dahlander-Schaltung können Drehstrom Asynchronmotoren durch Umschalten der Polzahl mit zwei unterschiedlichen Drehzahlen betrieben werden, üblicherweise im Verhältnis 2:1. Eine frühe Möglichkeit, die Effizienz des Betriebs zu verbessern: Bei Ventilatoren folgt die Leistungsaufnahme nach den dafür massgeblichen physikalischen Affinitätsgesetzen der dritten Potenz der Drehzahl. Kleine Drehzahländerungen führen damit zu grossen Energieeinsparungen: bei halbierter Drehzahl – 1/2 – des Motors sinkt dessen Leistungsaufnahme auf 1/8.

Ventillatoren nach Bedarf regeln

«Das war nach dem Stand der damaligen Technik eine gute Lösung. Unsere Ventilatoren müssen nicht immer mit voller Leistung laufen», erklärt Möri. «Aber heute lassen sich mit einem Frequenzumrichter alle Zwischenstufen der nötigen Motorleistung einstellen.» Beim anstehenden Ersatz der alten Motoren durch moderne Elektromotoren waren Frequenzumrichter also ohnehin gesetzt.

«Wir nahmen Kontakt mit ABB auf, um neue Lösungen zu evaluieren.» Ein 1:1-Ersatz mit Asynchronmotoren plus je einem Frequenzumrichter wäre einfach und kostengünstig gewesen. «Aber das mechanische Getriebe reduziert durch Reibungsverluste die Gesamteffizienz deutlich.»

Direktantrieb ohne Getriebe

Wie wäre es also mit einem Direktantrieb, ohne Getriebe? Dafür eignen sich die in der Anschaffung teureren Permanentmagnetmotoren. Sie arbeiten auch bei niedriger Drehzahl effizient. Darüber hinaus ist der Direktantrieb im Betrieb deutlich geräuscharmer als eine getriebebasierte Lösung.

Zumal ABB im Portfolio Permanentmagnet-Motoren führt, die gezielt für Kühlturmanwendungen wie diese entwickelt wurden, mit hohem Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen und der nötigen Robustheit für dieses Einsatzgebiet. Sie bewähren sich in Nordamerika schon länger. Denn sie sind Teil der Produktepalette der 2011 von ABB übernommenen US-Firma Baldor. Deren Motoren werden eigentlich nach der auf dem amerikanischen Kontinent üblichen NEMA-Norm produziert, während in Europa die IEC-Norm bei Motoren gilt. «Für diese Spezialanwendungen führt unsere Tochtermarke Baldor aber auch IEC-Motoren im Portfolio», erklärt Michael Klein, bei ABB für Europa zuständiger Produktmanager des Baldor-Portfolios.

Für Kühlturm-Motoren optimierter Frequenzumrichter

Als weitere Optimierung hat ABB eine Variante des Frequenzumrichters ACS880 gezielt für diese Kühlturm-Motoren entwickelt. Sie bietet spezifische Funktionen für diese Anwendung, wie etwa die Verhinderung der windgetriebenen Rotation des Ventilators. Allgemeine, hier überflüssige Antriebsparameter wurden für die einfachere Inbetriebnahme aus dem Menü des Frequenzumrichters entfernt.

Diese Vorteile überzeugten Schweizer Zucker. «Vor allem auch die nachgewiesenen Effizienzgewinne – und damit Energieeinsparungen – mit dieser Lösung im Vergleich zu konventionellen Antrieben mit Getrieben bei Nasskühltürmen in den USA», betont Möri. So hat Schweizer Zucker mit den beiden Baldor-Motoren – Leistung je 30 Kilowatt – in Kombination mit den spezifischen ACS880 die ersten Kühlturm-Direktantriebe in der Schweiz realisiert. Die potenziellen Energieeinsparungen belaufen sich jährlich auf bis zu 15 Prozent. «Und ohne Getriebe ist der Wartungsaufwand geringer», hält Lukas Möri fest. Damit amortisieren sich die Mehrkosten der Investition im Vergleich zu einer konventionellen Lösung in relativ kurzer Zeit.