High-Speed Drives für Wärmepumpenlösung von Futraheat
In vielen Industriebereichen ist der hohe Energieverbrauch eine der größten Herausforderungen. Das britische Unternehmen Futraheat hat vor diesem Hintergrund eine Wärmepumpenlösung entwickelt, die auf einer Turbokompressortechnologie basiert. Dadurch sinken die Energiekosten erheblich und der CO2-Ausstoß kann bis auf null reduziert werden. Die in der Anwendung geforderten hohen Drehzahlen werden mit den High-Speed Drives und Sinusfiltern von KEB Automation realisiert. In einer Brauerei kommt die innovative Lösung bereits zum Einsatz und ist dabei so effizient, dass beim Würzekochen bis zu 80 Prozent der Energie eingespart wird.
Das Prinzip der Wärmepumpe lässt sich in immer mehr Wohnhäusern betrachten: Thermische Energie für Heizung und Warmwasser wird aus Erde, Wasser oder Luft generiert – und Treibhausgasemissionen werden reduziert. Doch auch für die Industrie stehen interessante Alternativen zu Öl und Gas zur Verfügung. So hat die im Südwesten Londons ansässige Firma Futraheat eine Wärmepumpenlösung entwickelt, die Energie gewinnt, indem vorhandene Prozesswärme recycelt wird. Kern der „Greensteam“-Wärmepumpe von Futraheat ist „TurboClaw“. Dahinter verbirgt sich ein Turbokompressor mit geringem Volumenstrom, was bedeutet, dass er in relativ kleinen Anwendungen – wie Wärmepumpen mit einer Leistung von weniger als einem Megawatt – eingesetzt wird.
Was TurboClaw auszeichnet
„Herkömmliche Turbokompressoren bringen technisch-wirtschaftlichen Herausforderungen mit sich, weil sie mit extrem hohen Drehzahlen betrieben werden müssen. Dadurch verlieren sie an Leistung und die Konstruktions- und Produktionskosten steigen. Im Gegensatz dazu liefert TurboClaw ein vergleichbares Druckverhältnis bei weniger als der Hälfte der Drehzahl eines gängigen Turbokompressors“, sagt Tom Taylor, CEO von Futraheat. Außerdem sei TurboClaw mechanisch robuster gegenüber Flüssigkeiten und Partikeln im Kältemittelstrom, was ihm in vielen industriellen Anwendungen einen Vorteil verschaffe. Damit steht TurboClaw im Wettbewerb mit Verdrängerkompressoren, Kolben- und Schraubenmaschinen. Ein Unterschied liegt jedoch in der Ölfreiheit, der kompakten Bauweise und den geringen Kosten pro kW.
In der Fertigung stellen Wärmepumpen mit Leistungen unter einem Megawatt die mit Abstand häufigste Leistungsklasse dar. Für genau diesen Bereich sind die TurboClaw-basierten Wärmepumpen ausgelegt und funktionieren sowohl mit Hydrofluorolefin (HFO)- oder Kohlenwasserstoff-Kältemitteln in geschlossenen Wärmepumpen als auch mit Dampf in einem offenen MVR-Kreislauf (Mechanical Vapor Recompression). Ideal ist die Lösung für Temperaturen zwischen 100 und 200 Grad Celsius – einem Temperaturbereich, in dem viele Prozesse in der Lebensmittel- und Getränkeindustrie, als auch in der Chemie oder Pharmazie stattfinden.
High-Speed Drives und Sinusfilter im Einsatz
Pilotkunde für den Einsatz der Turbokompressorlösung von Futraheat ist die Hepworth Brewery in Großbritannien. Da für den effizienten Betrieb des Turbokompressors vor Ort hohe Drehzahlen erforderlich sind, setzte Futraheat bei der Umsetzung auf eine maßgeschneiderte Systemlösung von KEB. „Hochgeschwindigkeitsanwendungen setzen eine leistungsstarke und effiziente Auslegung von Antrieben und den entsprechenden Kühlsystemen voraus. Für TurboClaw benötigen wir Motordrehzahlen von 45.000 Umdrehungen pro Minute. Diese erreichen wir mit einem luftgekühlten COMBIVERT F6 High-Speed Drive mit 125 kW“, sagt Mark Macdonell, Vertriebsleiter bei KEB UK. Ergänzt wird der Drive durch die passende Sinusfilter-Technologie von KEB, wodurch der Motor mit einer sinusförmigen Spannung versorgt wird. Zusatzverluste durch Rippelströme der Antriebsstromrichter-Schaltfrequenz im Stator und im Rotor werden hierdurch verhindert. Das Ergebnis: Eine geringere Erwärmung der Magnete im Rotor und eine daraus resultierende längere Haltbarkeit des Motors.
Während der Tests bestand eine Herausforderung darin, dass die Generatorenversorgung unter Last instabil wurde. Aber auch hierfür wurde schnell eine Lösung gefunden. „KEB ist im Highspeed-Bereich stark aufgestellt. Dazu zählt auch, dass wir HIL-Simulationen durchführen können. Somit konnten wir eine genaue Antriebsparametrierung unter Kombination der Motor- und Sinusfiltercharakteristiken für Futraheat erstellen“, sagt Macdonell. Auch die reibungslose Zusammenarbeit mit den KEB Teams in Großbritannien, den USA und dem Hauptsitz in Deutschland habe in diesem Zusammenhang geholfen, auftretende Hürden bei der technischen Umsetzung zu meistern. Taylor ergänzt: „Mein Team hat bereits vor der Anwendung in der Brauerei mit KEB zusammengearbeitet. Deshalb war schnell klar: Die individuell an uns angepasste Drive-Technologie und auch der schnelle Support von KEB sind genau das, was für unsere TurboClaw-Lösung benötigen“.
Wie die Brauerei profitiert
Wärme, die durch Hochtemperaturdampf geliefert wird, ist ein wesentlicher Bestandteil der Prozesse in Brauereien und anderen Industriebereichen. Üblicherweise wird die Wärme von öl- oder gasbetriebenen Kesseln geliefert. Futraheats Kunde, die Hepworth Brewery, geht einen anderen und deutlich nachhaltigeren Weg. Die Brauerei nutzt die Greensteam-Wärmepumpe mit einer thermischen Leistung von 300 kW, die Dampf mit einer Temperatur von bis zu 130 Grad Celsius erzeugt. Zum Vergleich: Konventionelle Wärmepumpen sind in der Lage, warmes Wasser bis zu etwa 80 Grad Celsius zu liefern. Das System, das auf der von KEB betriebenen Kompressortechnologie basiert, gewinnt Abwärme bei 100 Grad Celsius zurück. Statt diese in die Atmosphäre abzulassen, wird die Wärme genutzt, um Dampf zwischen 120 und 130 Grad Celsius zu verarbeiten. Dieser Dampf wird dann wieder in den Braukessel geliefert, wodurch der aus fossilen Brennstoffen gewonnene Wärme nicht mehr benötigt wird. In der ersten Pilotphase wurde ein Prototyp-TurboClaw-Kompressor verwendet, der nun durch den ersten Serienkompressor von Futraheat mit einem größeren 128-kW-Motor ersetzt wird. Damit wird ein breiteres Spektrum an Funktionen ermöglicht, das auch für andere Anwendungen außerhalb der Brauerei geeignet ist.
Aufgrund des in der Brauerei erforderlichen Niedertemperaturhubs liegt der Leistungskoeffizient (Verhältnis von Stromverbrauch der Wärmepumpe zu abgegebener Wärme) bei bis zu 6, was bedeutet, dass der Energiebedarf für den Würzekochprozess um etwa 80 Prozent reduziert wird. „Die CO2-Einsparungen sind bei Verwendung von Netzstrom ähnlich, können aber bis auf null sinken, wenn das Gerät mit dem vor Ort erzeugten Solarstrom betrieben wird“, sagt Taylor.
Grundsätzlich liefert die Wärmepumpe die Kapazität, alle vier Brauereilinien zu versorgen, bisher wird sie aber nur in einer Braulinie als Pilotprojekt betrieben. Da die bisherigen Ergebnisse für sich sprechen, prüft die Brauerei nun, wie die Technologie auf dem gesamten Gelände breiter eingesetzt werden kann, um flächendeckend von den Energiesparpotenzialen zu profitieren.
So ist TurboClaw entstanden
Ihren Ursprung hat TurboClaw am renommierten Imperial College in London, wo die Erfinder ursprünglich vor der Herausforderung standen, einen kleinen, ölfreien Kompressor für Anwendungen zu entwickeln, bei denen ölgeschmierte Kolbenkompressoren nicht einsetzbar waren. Die Idee, sich auf die Entwicklung von Hochtemperatur-Wärmepumpentechnologien zu konzentrieren, kam schließlich von den Gründern von Futraheat. Man wollte auf diese Weise die technischen Vorteile von TurboClaw und die wachsenden kommerziellen Möglichkeiten aufgrund der Notwendigkeit der Dekarbonisierung der industriellen Wärmeversorgung in Einklang bringen. Und auch für die Zukunft gibt es bereits Pläne, weiß CEO Tom Taylor: „Wir werden in Zusammenarbeit mit etablierten OEMs und Anbietern von Heizungslösungen Marktlösungen entwickeln. Hierbei arbeiten wir mit zwei Unternehmen an Anwendungen für Lebensmittel und Getränke, Rechenzentren und MVR für die allgemeine Fertigung.“ Marc Macdonell ergänzt: „Wir freuen uns, dass wir mit der hochmodernen Antriebstechnik von KEB zum Erfolg von Futraheat beitragen können. Wir unterstützen auch weiterhin gerne dabei, wenn es darum geht, Applikationen auf dem Weg zur CO2-Neutralität zu begleiten.“
Über Futraheat
Futraheat wurde 2021 gegründet und ist ein in Großbritannien ansässiges Clean-Tech-Unternehmen, das Hochtemperatur-Wärmepumpen entwickelt, die mithilfe des patentierten TurboClaw-Kompressors industrielle Abwärme zurückgewinnen. Die Technologie bietet einen hohen Wirkungsgrad bei niedrigeren Drehzahlen und ermöglicht so eine kosteneffiziente Dekarbonisierung in Branchen wie der Brauereiindustrie, der Lebensmittelproduktion, der chemischen Industrie und in Rechenzentren.
