„Infra-Drive“ pimpt Wärmepumpen

Dank der medialen Wucht der mitunter hitzigen „Heizungshammer“-Headlines ist die Wärmepumpentechnologie längst mitten in den gesellschaftlichen Diskurs gerückt. Technisch-kühl betrachtet ist die Wärmepumpe ein wirksamer und wirtschaftlicher Hebel bei der dringend notwendigen Dekarbonisierung unserer Umwelt: Mit etwa einem Viertel zugeführter elektrischer Energie lässt sich damit mindestens das Dreifache an Wärmeenergie einfach aus der Umgebungsluft gewinnen und CO₂-reduziert – somit umweltschonend – heizen. Reversibel ausgeführte Wärmepumpen können auch in Gebäuden oder Prozessen steckende Wärme entziehen, sprich kühlen.

Dass und wie das im industriellen Maßstab wirtschaftlich gelingt, zeigt die Frigotrol Kältemaschinen GmbH aus Mannheim mit ihrer neuen reversiblen Großwärmepumpe FrigoPure FT-65/70-R290. Das luftgekühlte Gerät erreicht eine Heizleistung von bis zu 65 kW (Außentemperatur 7 °C und Wassertemperatur 55 °C), es ist weitgehend standardisiert und modular aufgebaut, dadurch rationell zu fertigen sowie einfach zu warten. Bis zu 12 Geräte lassen sich ohne großen Aufwand zu Verbänden mit einer Gesamtleistung von bis zu 720 kW kaskadieren.

Aus der Kälte zur Wärmepumpe

Frigotrol befasst sich seit den 1980er Jahren schon mit industrieller Kältetechnik und hat sich unter anderem mit Temperiersystemen für die Kunststoffverarbeitung einen Namen gemacht. Die in Bewegung geratene Situation auf dem Heizungsmarkt hat die Mannheimer 2022 dazu veranlasst, eine leistungsfähige Wärmepumpe für größere Gewerke wie Hallenbäder, Einkaufszentren und ganze Wohnquartiere zu entwickeln, die darüber hinaus auch industrielle Anwendungen „kann“.

Natürlich umweltschonend

Als einer der ersten Anbieter setzten die Mannheimer auf das natürliche Kältemittel Propan (R290), das ein sehr niedriges Global Warming Potential (GWP) hat. Damit ging man abzeichnenden Restriktionen gegenüber synthetischen Kältemitteln mit sehr hohem GWP aus dem Weg – ebenso absehbaren Verboten giftiger, gesundheitsgefährdender per- und polyfluorierter Alkylsub­stanzen (PFAS).

Maßgeschneiderte Infrastrukturantriebe …

Seit Jahren eine feste Größe in Kältemaschinen von Frigotrol ist Automatisierungs- und Antriebstechnik von Siemens. „Weil im rauen Industrieumfeld robuste, zuverlässige und langlebige Komponenten entscheidend sind für Kundenakzeptanz und Markterfolg. Das gilt mehr denn je bei Wärmepumpen, die 30 Jahre und länger problemlos laufen sollen“, sagt Alaeddine Allagui, Mitentwickler der Lösung und Leiter des Wärmepumpenprojekts bei Frigotrol. Insbesondere mit HMI- / Bediengeräten und Umrichtern von Siemens habe man diesbezüglich durchweg gute Erfahrungen gemacht, so dessen Kollege von der Automatisierungsseite, Markus Eisele, Software-Entwickler / Programmierer des Unternehmens.

Aktueller Stand der Antriebstechnik der meisten Kältemaschinen der Mannheimer ist der „Infrastrukturantrieb“ Sinamics G120X. Der vom Hersteller so bezeichnete Umrichter ist konzipiert und (kosten)optimiert für den Betrieb von Pumpen, Lüftern und Verdichtern in den Bereichen Heizung / Lüftung / Klimatechnik (HLK), Wasser und Abwasser. Mit Geräten von 0,75 bis 630 kW deckt das Portfolio ein weites Feld ab. Die Umrichter der Reihe sind kompakt aufgebaut, sparen Platz im Schaltschrank und Stellfläche. Auch in wirtschaftlicher Hinsicht passt der Sinamics G120X sehr gut in den Rahmen, was zur Wettbewerbsfähigkeit im zunehmend umkämpften Wärmepumpenmarkt beiträgt. Wobei in punkto Funktionalität alles dran und drin ist, was es für kältetechnische Anlagen und Großwärmepumpen braucht. Die Umrichter unterstützen alle relevanten Regelungsverfahren und Betriebsarten, „das Handling ist von der Montage über die Inbetriebnahme bis zur Wartung einfach und komfortabel“, so die Praktiker.

… für bedarfsgerechte
Energieströme

Aufgabe des Sinamics G120X in FrigoPure Großwärmepumpen ist der frequenzgeregelte Antrieb des Hochtemperatur-Hubkolbenverdichters. „Der 30 kW-Umrichter ist an dieser zentralen Stelle entscheidend für eine jederzeit bedarfsgerechte, dadurch immer effiziente Bereitstellung von Wärme beziehungsweise Kälte“, betont Allagui. Er hält den Druck und das Temperaturniveau im Kältemittelkreislauf in den via SPS vorgegebenen Grenzen und sorgt auch unter schwierigen Bedingungen, etwa bei Teillast in den Übergangsmonaten, für eine optimierte Betriebsweise. Mit gesteuertem Start-Stopp-Betrieb oder stufenweiser Anpassung sei stets ein energieeffizienter Betrieb möglich.

Auf einfaches, komfortables Handling getrimmt

Bei der Inbetriebnahme und im Wartungsfall schätzt man die alternativ nutzbaren Möglichkeiten Sinamics IOP-2 und SAM. Ersteres steht für Intelligent Operator Panel (der zweiten Generation), eine einfach auf- und umsteckbare Bedieneinheit mit Farbdisplay. Damit lassen sich die Umrichter schnell konfigurieren und parametrieren und einmal optimierte Einstellungen über das IOP-2 auf weitere Umrichter übertragen, was die Erstinbetriebnahme mehrerer Umrichter beschleunigt und auch im Fall eines Gerätetauschs Stillstandszeiten minimiert.

In bestimmten Situationen findet Markus Eisele die Arbeit mit dem sogenannten Smart Access Module (SAM) noch übersichtlicher. Dabei handelt es sich um ein ebenfalls auf- und umsteckbares Modul, das einen eigenen WLAN-Hotspot aufbaut und darüber via Webserver die integrierten Bedienmasken des jeweiligen Antriebs visualisiert. Diese sind zum Teil umfangreicher, am PC / Laptop logischerweise größer, und somit sehr übersichtlich.

Vor Ort wird das Prozessgeschehen auf einem Simatic Basic Panel KTP700 mit 7-Zoll-Touchdisplay visualisiert. Zum Schutz vor äußeren Einflüssen und zur Gewährleistung der Sicherheit ist das Panel im Schaltschrank hinter einer zusätzlichen Tür montiert. Über die SPS hat der Hersteller auch aus der Ferne Zugriff auf alle relevanten Dinge und kann jederzeit schnell reagieren, falls nötig.

In der Praxis bewährt

Ein Anwender und Nutznießer der ersten Stunde ist das Thalia Theater Hamburg. Auf dem Dach des Staatstheaters sorgt ein Verband mehrerer FrigoPure-Geräte mit bis zu 360 kW Heizleistung für prima Klima im Inneren. Bislang ohne großes „Theater“, sprich Störungen, Unterbrechungen oder gar Ausfälle. Als sehr nützlich hat sich der Reversierbetrieb erwiesen, womit sich vereiste Wärmeübertragerregister einfach abtauen lassen, was bei Bedarf automatisch initiiert wird.

Durch ihre Zuverlässigkeit und Effizienz sind die Wärmepumpen aus Mannheim auch für den Einsatz im industriellen Umfeld wie schaffen. Überall dort, wo auf einem niedrigeren Niveau temperiert werden soll, können sie dazu beitragen, stabile Prozessbedingungen zu gewährleisten, die Energiekosten und die Umweltbelastung zu senken. So zum Beispiel beim Nachheizen in der Produktion von Kunststofffolien bei einem renommierten Anbieter. Oder allgemein, um Kühlwassernetzen Wärme zu entziehen und diese wieder kontrolliert in Prozessen nutzbar zu machen.

Kompakter und effizienter werden

Das Bessere ist auch auf diesem Feld der Feind des Guten. Soll heißen, Frigotrol arbeitet kontinuierlich an der weiteren Optimierung seiner Großwärmepumpen, will diese kompakter bauen, noch effizienter und interessanter machen. „Da ist es beruhigend zu wissen, zu Siemens sowohl lokal vor Ort als auch bei antriebsspezifischen Fragen einen kurzen Draht zu haben und schnell kompetenten Support zu erhalten, wenn’s mal brennen sollte“ sind sich Projektleiter Alaeddine Allagui und Automatisierer Markus Eisele einig.