Frequenzumrichter finanzieren sich wie von selbst: Die durch sie erzielten Energieeinsparungen übertreffen ihre Anschaffungskosten häufig schon nach wenigen Monaten.

Frequenzumrichter finanzieren sich wie von selbst: Die durch sie erzielten Energieeinsparungen übertreffen ihre Anschaffungskosten häufig schon nach wenigen Monaten.WEG

Gerade bei der energieintensiven Stahlproduktion führen schon kleine Effizienzsteigerungen zu erheblichen Energieeinsparungen und damit zu geringeren Betriebskosten. Darum rief das belgische Unternehmen ESB ein Energiereduktions-Programm ins Leben. Im Zentrum dieses Programms standen die UHP-Elektrolichtbogenöfen mit einer Leistung von 85 MVA. Sie werden in einem geschlossenen Kühlsystem abgekühlt, welches aus drei großen Pumpen besteht, die wiederum von je einem 132-kW-Motor angetrieben werden. Im Bewusstsein, dass die Gesamtbetriebs­kosten einer Pumpe zu 90 % aus Energiekosten bestehen, beschloss das Unternehmen, seine bisherigen Standardmotoren durch W22-Drehstrommotoren von WEG zu ersetzen.

Der WEG-Frequenzumrichter CFW500 deckt Nennleistungen zwischen 0,18 und 22 kW ab.

Der WEG-Frequenzumrichter CFW500 deckt Nennleistungen zwischen 0,18 und 22 kW ab.WEG

Noch mehr Energie sparen

Damit war der erste Schritt hin zu einem energieeffizienteren Kühlsystem getan. Die vorhandene Motorsteuerung unter Einsatz von Schaltschützen verhinderte aber weitere Energieeinsparungen. Das bedeutete, die Pumpen liefen immer mit maximaler Geschwindigkeit, ungeachtet der unterschiedlichen Anforderungen an sie. Darum engagierte ESB die Firma Processautomation, die sich auf Energiesparsysteme spezialisiert hat, mit einer umfassenden Analyse des Ofenkühlungsprozesses. Ziel war es, das Energie-Einspar­potenzial möglichst erschöpfend auszunutzen.

Das beauftragte Unternehmen begann mit einem Audit der Betriebsstunden des Pumpensystems, das drei Teile umfasste: den normalen Werktagsbetrieb von zwei Pumpen (die dritte ist eine Reservepumpe), der sich auf 94 Stunden pro Woche summierte. Dazu kamen der Wochenendbetrieb, der an sechs Wochenenden im Jahr stattfand, um Frostgefahr entgegenzuwirken, und der Betrieb während der Weihnachtsferien für insgesamt 16 Tage, ebenfalls wegen Frostgefahr. In diesen Zeiten liefen die Pumpen mit Höchstgeschwindigkeit – auch während der frostgefährdeten Perioden, wenn ein diskontinuierlicher Betrieb ausreichend gewesen wäre.

Gemeinsam für mehr Energieeffizienz (v.l.n.r.): Patrice Longaretti, Manager des WEG-Vertriebspartners Leclercq Energy, Jean-François Fettweis, Projektmanager bei Processautomation, und Marc Grégoire, Vertriebsingenieur und ­Antriebsspezialist bei WEG Bene

Gemeinsam für mehr Energieeffizienz (v.l.n.r.): Patrice Longaretti, Manager des WEG-Vertriebspartners Leclercq Energy, Jean-François Fettweis, Projektmanager bei Processautomation, und Marc Grégoire, Vertriebsingenieur und ­Antriebsspezialist bei WEG BeneWEG

Processautomation berechnete auf Basis dieser Betriebsstunden, dass die jährlichen Gesamtkosten für den Betrieb der Pumpen an der Kühlanlage 117.000 Euro betrugen. Dieses Ergebnis basiert auf Energiekosten von 0,09 Euro/kWh. Von diesem Wert ausgehend berechneten die Energiespar-Spezialisten, dass sich durch den Einsatz von Regelantrieben für die Pumpenmotoren in Verbindung mit einem SPS-gestützten Prozessautomatisierungssystem weitere Energieeinsparungen erzielen ließen.

Leistung zur rechten Zeit

Die für die Motorsteuerung gewählten 132-kW-Inverterantriebe aus der CFW-Familie von WEG sind auf die eingesetzten W22-Motoren abgestimmt und liefern die passenden Betriebskennlinien für einen effizienten Betrieb. Ein Schlüsselmerkmal der Antriebe in dieser Hinsicht ist ihre Selbstabstimmungsfunktion, die die Leistung des Motors automatisch an die Last anpasst. Dadurch muss der Benutzer kein Motorkennfeld eingeben. Processautomation lieferte den Antrieb zusammen mit dem Softstarter SSW-06 von WEG als Teil eines kompletten Energie­sparpakets einschließlich SPS und Prozesskommunikation über Profibus-DP. Außerdem installierte das Unternehmen das Paket und nahm es in Betrieb.

Das Regeln der Antriebsgeschwindigkeit führte dazu, dass die Kühlanlage an einem normalen Werktagsbetrieb zwischen 15 und 20 Uhr nur eine Pumpe benötigt, die mit 70 % ihrer maximalen Geschwindigkeit läuft. Zwischen 20 und 11 Uhr sind zwei Pumpen in Betrieb, die mit 89,2 % der maximalen Geschwindigkeit laufen. An Wochenenden und während der weihnachtlichen Betriebsferien, wenn Frost ein Problem darstellen könnte, sind weiterhin zwei Pumpen aktiv, die mit 89,2 % ihrer maximalen Geschwindigkeit laufen. Durch die flexible Steuerung mit dem Regelantrieb müssen die Pumpen aber nur alle halbe Stunde für fünf Minuten eingeschaltet werden, was die benötigte Energie im Vergleich zum Dauer­betrieb stark verringert. Dieser Beitrag sowie die Einsparungen beim normalen werktäglichen Betrieb führen zu Energiekosten-Einsparungen in Höhe von 45.000 Euro beziehungsweise 38,5 %.

Schnell in der Gewinnzone

Ähnliche Einspareffekte erzielte der Einsatz von Frequenzumrichtern auch in einem Asphaltwerk eines anderen Unternehmens, in dem für den Hauptabzugs-Ventilator ein Lüftermotor mit einer Leistung von 110 kW verwendet wird. Nach der Installation eines Frequenzumrichters verringerte sich die benötigte Leistung pro Motor von 104 auf 64 kW. Als Resultat halbierte sich der Stromverbrauch und der Frequenzumrichter amortisierte sich in weniger als zwölf Monaten.

Zu einem kompletten Energiesparpaket gehören neben dem Antrieb und dem Frequenzumrichter auch ein Softstarter, eine SPS und Module zur Prozesskommunikation.

Zu einem kompletten Energiesparpaket gehören neben dem Antrieb und dem Frequenzumrichter auch ein Softstarter, eine SPS und Module zur Prozesskommunikation.WEG

In einem anderen Fall ergab eine detaillierte Analyse des Lüftersystems in einem Universitätsgebäude, dass die Lüfterdrehzahl ohne negative Auswirkungen auf Luftqualität oder Kühlleistung um 20 % gesenkt werden konnte. Dazu installierte der Anwender in einer ersten Phase 7,5-kW-Frequenzumrichter an sechs Lüftermotoren der Klimaanlagen. Die gewählten Frequenzumrichter waren speziell für die Integration in Systeme konzipiert, die eine stufenlose Drehzahlregelung für Pumpen- und Lüfteranwendungen erfordern, unter anderem in HLK-­Anlagen (Heizen, Lüftung, Klima). Darüber hinaus schützen sie sowohl die Motoren als auch die Frequenzumrichter selbst unter anderem gegen Über-/Unterspannung sowie Übertemperatur. Außerdem verfügen die Frequenzumrichter über einen Kippschutz und eine Energieverbrauchs-Erfassung.

Mit der um 20 % verringerten Betriebsdrehzahl halbierte sich der Energieverbrauch der Motoren. Dadurch erzielte der Betreiber Energieeinsparungen von rund 30.500 kWh pro Motor und Jahr. Dies entspricht einer Kosteneinsparung von über 3.600 Euro. Zusammengenommen belaufen sich die eingesparten Energiekosten für die erste Phase des Projekts auf 21.750 Euro. Damit amortisierte sich das Projekt innerhalb von sechs Monaten.

Technik im Detail

Frequenzumrichter CFW500

Der WEG-Frequenzumrichter CFW500 deckt Nennleistungen zwischen 0,18 und 22 kW ab. Er enthält eine integrierte Mikro-SPS, die sich nach der IEC 61131-3 programmieren lässt und Makros unter anderem für Positionierung, Zeitsteuerung und Beschleunigung bereitstellt. Die Programmierung ist entweder am Gerät über das LCD-Display oder mithilfe eines Rechners möglich, wofür verschiedene Schnittstellen zur Verfügung stehen (Profibus-DP, Devicenet, CANopen, Modbus, USB, RS232, RS485). Die Software ‚WLP‘ zum Programmieren und Überwachen der Geräte ist kostenlos als Freeware erhältlich.