Antriebsstrang : Wie die Kärntner SET die Drehzahlregelung für Pumpen verbessert

Aus Wind wird Energie: Seit 25 Jahren beschäftigt sich der Klagenfurter Unternehmer Gerald Hehenberger mit der Frage, wie man die Kraft des Windes optimal nutzen kann. In den 1980er Jahren galt er als Windenergie-Pionier, als er eine der ersten drehzahl-variablen 600 kW-Windkraftanlagen mit Blattwinkelverstellung entwickelte. Zehn Jahre später waren die doppelt gespeisten Asynchrongeneratoren eine Innovation, vor etwa 15 Jahren schließlich seine Multimegawatt-Offshore-Anlagen. Doch die Euphorie rund um die Windkraft ließ nach, was auch komplizierte Genehmigungsverfahren für potentielle Kunden gelegen hat. Und so entschied sich Gerald Hehenberger vor einigen Jahren für einen neuen Weg: Der Gründer und Geschäftsführer von SET (Sustainable Energy Technologies GmbH) begann damit, elektro-mechanische Antriebssysteme für Pumpen und Kompressoren zu entwickeln. Genauer gesagt: Gesamtlösungen für sogenannte Turboantriebe, die in den Antriebssträngen zur Drehzahlregelung von Industrieanwendungen und Windkraftanlagen verwendet werden.

Das Ziel ist es, den Energieverbrauch der Kunden deutlich zu reduzieren. In den meisten Industriebetrieben laufen Lüfter, Pumpen und Kompressoren ständig bei voller Drehzahl, auch wenn diese Leistung nicht benötigt wird. Denn was bei anderen Anwendungen selbstverständlich ist, nämlich die aufgewendete Leistung dem tatsächlichen Bedarf anzupassen, ist in vielen Bereichen der Industrie noch kein Standard. Wenn es eine Drehzahlregelung gibt, kommen aktuell meist Frequenzumformer („Vollumrichter“), Getrieberegelkupplungen oder hydro-dynamische Drehzahlwandler zum Einsatz. Klassische drehzahlvariable Antriebe sind entweder mechanik- oder elektriklastig. Hier geht SET einen neuen Weg: Ihre Entwicklung ist ein drehzahlvariables, elektro-mechanisches Differentialgetriebe zur Drehzahlregelung von Pumpen, Kompressoren, Ventilatoren und Gebläsen. Dafür wurde jahrelang geforscht, denn die Kombination eines hochdynamischen Planetengetriebes mit einem drehzahlvariablen elektrischen Antrieb ist insgesamt eine große Herausforderung. Das SET-Team erforschte kritische Teilaspekte von Grund auf: die hohen Fliehkräfte in den Planetenlagern, die Soft-Start-Funktion und ein zuverlässiges Sicherheitskonzept für das sichere Abschalten des Systems. Auf Basis der Ergebnisse der Teilberechnungen entstanden Steuer- und Regelungsalgorithmen. Diese Berechnungsmodelle wurden dann schließlich in einem Prüfstand so lange verifiziert und optimiert, bis die Ergebnisse den Erwartungen des Forschungsteams entsprachen.

Doch was ist jetzt das Neue am „DSgear-set“? „Im Vergleich mit konventionellen drehzahlvariablen Antrieben zeichnet er sich durch wesentlich bessere Wirkungsgrade sowie niedrigere Betriebs-, Investitions- und Lebenszykluskosten aus“, sagt Maximilian Hehenberger. Und so funktioniert das Ganze im Detail: Der Pumpenantriebsstrang wird um ein drehzahlvariables Antriebssystem ergänzt, das aus einem Differentialgetriebe als Überlagerungsgetriebe, einem Servomoter und einem Frequenzumrichter zur Leistungs- und Drehzahlregelung mit maximal 20 Prozent Leistung der Gesamtleistung besteht. Ähnlich wie bei Hybridantrieben setzt sich die Systemleistung aus den Antriebsleistungen des Hauptantriebes und des Umrichtermotors zusammen, die je nach Leistungsbedarf kombiniert werden. Der komplette Antriebsstrang wird also mit Hilfe des Servomotors „sanft“ hochgefahren und der Hauptmotor anschließend direkt in das Netz geschaltet. Das bedeutet, der Hauptantrieb übernimmt die Grundlast und der Regelbereich wird mit dem kleineren frequenzgeregelten Motor gefahren. Die großen Vorteile dieses Systems sind ein hoher Wirkungsgrad (rund 95 Prozent) und hohe Flexibilität.

Konzipiert ist der „DSgear-set“ für den Einsatz in richtig großen Anlagen. „Wir haben uns auf die Entwicklung von Industrieantrieben spezialisiert“, erklärt Hehenberger, „und dabei konzentrieren wir uns vor allem auf große Kraftwerke.“ Für sie ist die neue Technologie nämlich besonders interessant: Kraftwerksbetreiber, zu denen auch viele größere Industriebetriebe zählen, die sich unabhängig vom Strommarkt machen wollen oder den Betriebsdampf nutzen wollen, stehen heute vor allem vor dem Problem, dass sie den Betrieb ihres Kraftwerks flexibel an die Erfordernisse des Strommarkts anzupassen. Das heißt konkret: Wind und Sonne sind entscheidend dafür, ob ein Kraftwerk mit hoher oder niedriger Last gefahren werden kann. Muss ein Kraftwerk mit reduzierter Last fahren, sinkt der Wirkungsgrad und die Kosten pro erzeugte Megawattstunde steigen. Mit der Entwicklung der Klagenfurter sollen solche Probleme gelöst werden.

Die Kunden der Klagenfurter werden vor allem außerhalb von Österreich zu finden sein. Wo genau, will das Unternehmen noch nicht verraten. Derzeit laufen Gespräche mit Kooperationspartnern, die Reise scheint vor allem in Richtung Deutschland, Indien und China zu gehen. Bis es soweit ist, konzentriert man sich vor allem auf ein großes Projekt: Gemeinsam mit Sulzer Pumpen Deutschland wird an einer Lösung für eine Kesselwasserspeisepumpe für die PCK-Raffinerie in Schwedt gearbeitet. Es soll das Vorzeigeprojekt des Klagenfurter Unternehmens werden, mit dem erstmals die Kostenersparnisse und die Zuverlässigkeit der Entwicklungsleistungen in der Praxis gezeigt werden sollen. Die Entwicklung des Klagenfurter Unternehmens wird den bestehenden direkten Antrieb ersetzen. Konkret wird ein 4.1-Megawatt-DSgear-set in der Raffinerie eingesetzt, das eine Leistung von 4.100 kW für eine Kesselwasserspeisepumpe überträgt.

Fazit: Die Drehzahlregelung mit elektro-mechanischem Differenzialgetriebe ist ein völlig neuer Zugang. Die Entwickler rechnen damit, dass sich diese Antriebsmethode in den kommenden Jahren durchsetzen wird, da sie effizienter als bisherige Systeme ist.