Kompressor und Permanentmagnetmotor: Eine Kombination für einen hohen Wirkungsgrad

• Zehn Prozent der gesamten industriellen Elektrizität in Europa fließt in Kompressoren.
• Angesichts der Klimakrise gilt es, diesen Wert zu reduzieren.
• Marek Lukaszczyk, Marketing Manager für Europa und den Mittleren Osten beim Industriemotorenhersteller WEG, untersucht daher hier, was ein neuer Typ von Kompressor in Kombination mit einem speziell entwickelten hocheffizienten Permanentmagnetmotor für die Industrie bedeuten kann.

Verdrängerkompressoren sind mechanische Vorrichtungen, die den Druck eines Gases erhöhen, indem sie sein Volumen verringern. Von Abfüllanlagen bis hin zur pneumatischen Förderung sind Kompressoren allgegenwärtig. Sie treiben Maschinen und Prozesse an, und sie werden zum Transport von Produkten in Fabriken verwendet. Das betrifft beispielsweise Pasta, Getreide oder andere Lebensmittel, Pharmazeutika, Kunststoffe oder sogar die körnigen Absorptionsstoffe in Windeln und Sanitärprodukten. Druckluft ist bei der Herstellung von Produkten sehr wichtig. Daher wird sie nach Wasser, Gas und Elektrizität als einer der vier grundlegenden Dienste angesehen, die die Basis für jede Fertigung bilden. Und sie wird nicht nur in der Industrie eingesetzt. Wenn zum Beispiel ein Bus an der Haltestelle seinen Einstieg in Richtung Bordsteinkante absenkt, geschieht dies über die von einem Kompressor betriebene Luftfederung.

Und Kompressoren bilden auch das Herzstück von Wärmepumpen zum Beheizen von Häusern. Das ist heute besonders relevant, da Neubauten ab dem Jahr 2025 keine Gaskessel mehr verwenden werden. Kompressoren findet man sogar in Kühlschränken, wo sie Lebensmittel frisch halten.

Einfach gesagt sind Kompressoren allgegenwärtig, und deshalb benötigen sie viel Energie. In der Regel handelt es sich um etwa 12 Prozent des Gesamtverbrauchs und an einigen Produktionsstätten sogar bis zu 55 Prozent. Ihr Potenzial ist jedoch noch nicht vollständig ausgeschöpft, und die Motoren, die diese Maschinen antreiben, können einen großen Einfluss auf eine Reduktion der CO2-Emissionen haben.

Neues Design für Kompressor

Die Umsetzung der neuen europäischen Effizienzvorschriften, die jetzt eine größere Auswahl von Elektromotoren abdecken und bis 2030 zu einer Energieeinsparung von ca. 10 Terawattstunden (TWh) führen sollen, bedeutet, dass Unternehmen Innovationen benötigen.

Die Modernisierung der Industrie ist bisher jedoch nur langsam vorangeschritten. Das Prinzip des Schraubenverdichters lässt sich auf eine Wasserpumpe des italienischen Ingenieurs Ramelli aus dem Jahr 1588 zurückführen. Obwohl es zuerst in einer Wasserpumpe eingesetzt wurde, findet das grundlegende Design noch heute Verwendung, wie zum Beispiel in Flügelzellen- und Rollkolbenkompressoren sowie in Klimaanlagen.

Eine weitere Maschine, die ursprünglich als hölzerne Wasserpumpe konzipiert war, wurde in den 1860er Jahren als Drehkolbengebläse wiederverwendet. Dank dieser Erfindung wurden die Gebrüder Roots sehr wohlhabend. und sie macht auch heute noch die meisten Verkäufe von Niederdruck-Druckluftkompressoren aus. Die letzte große Veränderung auf diesem Gebiet war der Schraubenkompressor, der 1935 von dem schwedischen Ingenieur Alf Lysholm erfunden wurde, ursprünglich für eine Dampfturbine. Dieser dominiert weiterhin den Markt für Mitteldruckkompressoren.

Neuartige Bauweise für Kompressor

Lontra, ein internationaler Pionier im Bereich fortschrittlicher Maschinenbau­technologien, entschied sich angesichts dieser Stagnation, die industrielle Kompressor­landschaft zu transformieren. Kurz gefasst erkannte Lontra, dass Kompressoren Gas effizient einsaugen, ohne Leckage komprimieren und dann ohne viel Verlust wieder abgeben müssen. Lontra entwickelte daher eine Maschine, die von den Kolben und Zylindern in Verbrennungsmotoren inspiriert ist. In einer Lontra-Maschine bewegt sich die Schaufel (das Äquivalent des Kolbens) jedoch nicht auf- und abwärts, sondern kreisförmig in einem Ring, dessen Boden ständig offene Einlassöffnungen enthält.

Dies bedeutet, dass Gas oder Luft hinter der rotierenden Schaufel angesaugt und vor der Schaufel komprimiert wird. Lontra verfügt mittlerweile über eine Reihe von Patenten für diese nie zuvor gesehene Geometrie, welche die oben angeführten grundsätzlichen Anforderungen sehr effizient erfüllt.

Stromeinsparungen im Vergleich zu herkömmlichen Maschinen

Bei frühen Tests in der Wasseraufbereitungsbranche konnten Stromeinsparungen von über 21 Prozent im Vergleich zu vergleichbaren herkömmlichen Maschinen erzielt werden. Kompressoren lassen sich in der Wasseraufbereitung normalerweise einsetzen um Luft durch Abwasser zu blasen und auf diese Weise Bakterien zu ernähren, die Schadstoffe abbauen. Nur dieser Prozess allein macht ein Prozent des gesamten Stromverbrauchs in Großbritannien aus.

Darüber hinaus hat eine kürzlich durchgeführte Studie zu Lontras neuester Maschine für pneumatische Förderung, dem Blasen von Feststoffen durch Rohre, Einsparungen von bis zu 34 Prozent im Vergleich zu einem marktführenden Wettbewerber gezeigt.

Energieeinsparungsziele übertreffen

Um dies zu erreichen, lud Lontra WEG ein, an der Entwicklung dieser völlig neuen Kompressortechnologie mitzuarbeiten. Da die meisten Kompressoren von Elektromotoren angetrieben werden, hat Lontra den globalen Hersteller von Industriemotoren WEG damit beauftragt, einen speziellen Motor für den LP2 Blade Compressor zu entwickeln, einen Kompressor, der die höchste internationale Energieeffizienzklasse (IE) erreicht.

Dies ist Lontras erstes industrielles Gebläse. WEG liefert dafür den speziell gefertigten Ultra-Premium-Permanentmagnetmotor WMagnet IE5 mit 80 kW, 2’500 U/min, konstantem Drehmoment und Hohlwelle. Er erreicht einen Wirkungsgrad von 97 Prozent über den gesamten Drehzahlbereich. Der Motor ist auf der Welle montiert, was weitere Verluste im System reduziert und die Gesamteffizienz des Kompressors erhöht.

Nach aktuellen europäischen Effizienzvorschriften müssen Elektromotoren je nach ihrer Nennleistung und anderen Merkmalen den Wirkungsgrad IE2, IE3 oder IE4 erreichen. So müssen beispielsweise Drehstrommotoren mit einer Nennleistung zwischen 0,75 und 1’000 kW bis Juli 2021 die Stufe IE3 erreicht haben. Motoren zwischen 75 und 200 kW müssen ab Juli 2023 außerdem IE4 erreichen.

Neuer Kompressor mit speziell entwickeltem Permanentmagnetmotor

Lontras neuer Kompressor verwendet jedoch einen speziell entwickelten IE5-Elektromotor – die höchste Effizienzklasse – und übertrifft damit die aktuellen Anforderungen. Den IE5-Permanentmagnetmotor hat das Unternehmen nicht nur wegen seiner hohen Effizienz ausgewählt. Für ihn sprach auch, dass er weniger Wärme im Rotor erzeugt und er aufgrund seiner Flüssigkeitskühlung eine stabilere Betriebstemperatur hat. Das reduziert die Wahrscheinlichkeit einer Überhitzung.

Den Industriemarkt dominieren allerdings weiterhin Induktionsmotoren. Obwohl diese Motoren zuverlässig sind und akzeptable Wirkungsgrade haben, hat die zunehmende Beliebtheit von Elektrofahrzeugen angesichts der Klimakrise auch die Erforschung von Permanentmagnetmotoren vorangetrieben.

Permanentmagnetmotoren als Alternative

Als Folge davon sind Elektrofahrzeuge bereits von Induktionsmotoren auf Permanentmagnetmotoren umgestiegen. Im Rest der industriellen Landschaft lässt diese Migration bisher allerdings noch auf sich warten. Aber Kompressoren brauchen nicht riesige Mengen von Energie aufzunehmen, wie der neue Kompressor von Lontra zeigt.

Weitere Informationen: https://www.weg.net/institutional/DE/de/ und https://www.lontra.co.uk/

Erfahren Sie hier mehr über Permanentmagnetmotoren mit hoher Leistungsdichte.

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