Die Firma Xylem, einer der Marktführer für Ozonanlagen, setzt  für die Kühlung der Schaltanlage aufenergieeffiziente  Kühlgeräte der Serie Blue e+ von Rittal.

Die Bereitstellung von Frischwasser und die Behandlung von Abwasser haben einen sehr hohen Energiebedarf. Das Klären von Haushaltsabwässern benötigt etwa 3 bis 5 % der elektrischen Energie, die in einem privaten Haushalt verbraucht wird. Auch die Aufbereitung und der Transport von Frischwasser für Haushalte, Landwirtschaft und Industrie sowie das Klären von Abwässern in der Industrie sind mit einem hohen Energieeinsatz verbunden. Pumpen zum Fördern von Wasser verbrauchen einen großen Teil dieser Energie. Elektrische Energie wird ebenfalls für die Erzeugung von Ozon benötigt, mit dem Wasser umweltfreundlich aufbereitet wird. Da Ozon aber nicht auf längere Dauer stabil ist, müssen die Anlagen zur Ozonproduktion immer vor Ort – also bspw. im Wasserwerk oder in der Kläranlage – installiert werden.

Desinfizieren und Oxidieren
Bei Xylem Services in Herford entwickeln, produzieren und vertreiben etwa 250 Mitarbeiter neben Ozon-Anlagen auch UV-Systeme zur Desinfektion von Wasser. Die Anlagen werden unter dem Markennamen Wedeco weltweit vertrieben. Die größten davon können bis zu 1 t Ozon / h produzieren. Die Menge des benötigten Ozons ist abhängig von der Wassermenge. Zusätzlich muss die Art der Verschmutzung berücksichtigt werden. Um lediglich Bakterien abzutöten, genügt eine Ozonkonzentration im Wasser von etwa 1 g/m³. Zum Entfärben werden Konzentrationen von 5 bis 50 g/m³ benötigt, und um chemische Bestandteile zu oxidieren, können bis zu 200 g / m³ notwendig sein. Das Ozon wird üblicherweise über einen Venturi-Injektor im Wasser gelöst und reagiert dann im anschließenden Reaktionsbehälter mit den Verunreinigungen. Die typische Kontaktzeit, bis das gewünschte Ergebnis erreicht ist, beträgt wenige Minuten. Im Anschluss wird das verbleibende Ozon im Restgas vernichtet. Im Vergleich zur alternativen Methode, bei der Chlor eingesetzt wird, bleiben hier keine Rückstände im Wasser. Auch Resistenzen gegenüber Ozon treten – anders als beim Chlor – hier nicht auf.

Basis der Ozon-Produktion: elektrische Energie
„Die Produktion des Ozons muss je nach Anwendung regulierbar sein“, erklärt Franz-Josef Richardt, der als Global Product Manager bei Xylem Services für Ozonanlagen verantwortlich ist. „Der Ozonerzeuger muss immer genau so viel Ozon produzieren, wie aktuell im Prozess benötigt wird – denn speichern kann man das reaktionsfreudige Gas nicht.“ Die Regulierung der Produktion geschieht über die Frequenz (Pulse) der Hochspannung. Wollte man die Produktion drosseln, indem man die Spannung reduziert, würde die Entladung verlöschen, und die Ozon-Produktion würde komplett stoppen. Die Hochspannung wird in Pulsen von jeweils 1 ms angelegt. In dieser Zeit findet die Entladung statt und Ozon wird produziert. Die Elektronik der Anlage kann zwischen 1 und 1.000 dieser Pulse pro Sekunde an die Elektroden anlegen. Dementsprechend variiert linear die Menge des produzierten Ozons.
Um die Hochspannung optimal zu steuern, ist eine aufwendige Elektrotechnik notwendig. Aus der Netzspannung wird über einen Eingangstransformator, einen Gleichrichter und einen speziellen Frequenzumrichter die ­Hochspannung für die Elektroden erzeugt. Die Elektronik – speziell der Frequenzumrichter – gehören ebenfalls zu den Kernkompetenzen von Xylem. Die komplette Elektrotechnik ist in TS 8 Schaltschränken von Rittal untergebracht, die neben dem eigentlichen Ozonerzeuger installiert werden.
Bei einer aktuellen Anlage, die für eine Kläranlage in einer chemischen Fabrik in Taiwan gefertigt wird, nimmt die Versorgung mit TS 8 Schaltschränken eine Gesamtbreite von 4,8 m in Anspruch. Dass sich Xylem bei den Schaltschränken auf Rittal als Lieferant verlässt, hat gleich mehrere Gründe, wie Ludwig Dinkloh, Manager of Global Wedeco Product Management für Xylem, weiß: „Rittal kann die Schaltschränke und die dazu passende Kühltechnik mit großer Liefertreue zur Verfügung stellen. Da wir aufgrund der großen Nachfrage aktuell Durchlaufzeiten von nur vier Wochen in der Produktion haben, ist ein Systemlieferant wie Rittal für uns sehr wichtig.“ Die Schränke haben Standardmaße, werden aber ohne Montageplatte ausgeliefert. Außerdem sind die Tür-Dichtungen in einer EMV-Variante ausgeführt.

Leistungselektronik benötigt Kühlung
Die Produktion von Ozon benötigt elektrische Energie: Eine Anlage, die 1 kg Ozon/h produziert, hat eine elektrische Leistungsaufnahme von ungefähr 5 bis 6 kW. Die aktuelle Anlage kann bis zu 20 kg Ozon/h produzieren und hat dementsprechend eine Gesamtanschlussleistung von über 100 kW. Die Verlustleistung einer solchen Anlage, die in den Schaltschränken in Wärme umgewandelt wird, beträgt etwa 8 %. Die größten Wärmemengen entstehen dabei an den Transformatoren und der Leistungselektronik für die Frequenzumrichter. Ein Teil der entstehenden Wärme wird durch eine Wasserkühlung abgeführt. Um auch die anderen Komponenten im Schaltschrank vor zu hohen Temperaturen zu schützen, sind an den Schränken zusätzlich Kühlgeräte von Rittal angebaut. Die Temperatur im Inneren der Schaltschränke soll bei 35 °C bleiben. Sind die Temperaturen höher, steigt die Ausfallquote etwa einer SPS deutlich an. Auch die Lebensdauer einiger Bauteile – z. B. der Kondensatoren im Frequenzumrichter – verkürzt sich bei höheren Temperaturen. Ausfälle müssen bei den Ozon-Anlagen in der Wasserwirtschaft, wo man auf eine hohe Verfügbarkeit angewiesen ist, aber unbedingt vermieden werden.
Um eine Temperatur von maximal 35 °C in den Schaltschränken zu erreichen, kommen zwei Kühlgeräte aus der neuen Serie Blue e+ von Rittal mit jeweils 6 kW Kühlleistung zum Einsatz. Geräte mit einer so hohen Kühlleistung sind erst seit der Einführung der neuen Kühlgeräte-Generation erhältlich. Vor zwei Jahren hat Xylem für den gleichen Kunden bereits eine Ozon-Anlage mit identischer Leistung geliefert. Damals mussten noch fünf Kühlgeräte mit unterschiedlichen Kühlleistungen in die Schaltschränke eingebaut werden, um die notwendige Kühlleistung zu erreichen. Die neue Kühltechnik ist eine große Einzeleinsparung bei den Ozon-Anlagen – nicht nur durch die Reduktion der Anzahl, sondern auch durch geringeren Installationsaufwand.

Niedrigere Betriebskosten dank ­Energieeffizienz
Die Kühlgeräte der Serie Blue e+ sind auf eine Schaltschranktemperatur von 35 °C bei einer Außentemperatur von ebenfalls 35 °C ausgelegt. Bei niedrigeren Außentemperaturen, wie sie in gemäßigten Breiten fast das ganze Jahr über herrschen, benötigen die Kühlgeräte deutlich weniger Energie. Dazu kommt, dass auch die Kompressorkühlung energieoptimiert arbeitet. Durch die frequenzgeregelten Komponenten kann das Kühlgerät immer genau so viel Kälteleistung zur Verfügung stellen, wie aktuell benötigt wird. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass die Schaltschranktemperatur deutlich geringere Schwankungen aufweist, was wiederum zu geringerem thermischen Stress an den eingesetzten Komponenten und damit zu längeren Lebensdauern führt.
„Die hohe Energieeffizienz und die damit verbundenen Einsparungen bei den Betriebskosten für den Kunden, ist ein großer Vorteil unserer Anlagen“, betont Richardt und macht eine einfache Rechnung auf: „Unsere Anlagen laufen praktisch rund um die Uhr. Wenn die Schaltschrankkühlung eine 2 kW geringere Leistungsaufnahme hat, führt das bei 8.500 Betriebsstunden pro Jahr schnell zu einer fünfstelligen Summe, die der Kunde über die Lebensdauer der Anlage bei den Energiekosten einsparen kann.“ Wie hoch die Einsparungen konkret sind, hängt stark von den Außentemperaturen am Aufstellort ab.

Mehrspannungspannungsfähigkeit
Diese Kühlgeräte bieten aber nicht nur in punkto Energieeffizienz Vorteile. Gerade für international tätige Firmen wie Xylem ist die Mehrspannungsfähigkeit besonders wichtig. Egal, ob die Anlage in die USA, nach Japan, nach Mexiko, nach Großbritannien oder nach Deutschland geliefert wird, die Kühlgeräte kommen mit den jeweils zur Verfügung stehenden Netzspannungen zurecht. Früher musste Xylem entweder für die jeweilige Netzspannung ein passendes Kühlgerät einbauen oder einen zusätzlichen Transformator verwenden. „Mit den neuen Geräten können wir uns das jetzt sparen“, freut sich der Ozonanlagen-Produktmanager: „Jeder Transformator, den wir einsparen können, bedeutet nicht nur weniger Investition, sondern gleichzeitig weniger Verlustleistung.“
Im internationalen Geschäft ist außerdem das UL-Listing der Kühlgeräte von besonderer Bedeutung. Je nachdem, wo die Anlage in Betrieb geht, sind die Formalitäten und Vorschriften bei der Zulassung unterschiedlich. „Wenn wir die Anlage z. B. in den USA in Betrieb nehmen, ist es wichtig, dass möglichst alle verwendeten Komponenten ein UL-Listing haben“, erklärt Richardt: „Das macht den ganzen Prozess bei der Zulassung deutlich einfacher.“ Die internationale Verfügbarkeit der Komponenten und ein entsprechender Service bzw. eine Ersatzteilversorgung sind für Xylem ebenfalls wichtig. Nach der Inbetriebnahme der Anlage übernehmen in der Regel Techniker der lokalen Xylem-Vertriebsgesellschaft den Service. Und mit einem international gut aufgestellten Lieferanten wie Rittal haben sie dabei einen kompetenten Ansprechpartner vor Ort. „Insgesamt müssen wir den Service aber nur sehr selten in Anspruch nehmen“, stellt Richardt klar: „Wir sind von der Qualität der Rittal-Kühlgeräte überzeugt und hatten in den vergangenen Jahren kaum Reklamationen.“ Die aktuelle Anlage wird vor der Auslieferung nach Taiwan in Herford ausgiebig getestet. Dabei werden auch die Kühlgeräte bis in den Grenzbereich belastet. Nur wenn alle Tests erfolgreich absolviert sind, kann die Anlage beim Kunden in Betrieb gehen.

Durchschnittlich 75 % Energieeinsparung
Unter dem Namen Blue e+ hat Rittal im vergangenen Jahr eine neue energieeffiziente Kühlgerätegeneration auf den Markt gebracht. Für die Energieeffizienzerhöhung sorgt ein neues Hybrid­verfahren. Dieses arbeitet mit einer Kombination aus einem Kompressor-Kühlgerät und einer Heat Pipe für eine passive Kühlung. Der Kompressor kommt nur dann zum Einsatz, wenn die passive Kühlung nicht mehr ausreicht. Gerade im Teillastbetrieb ist das Blue-e+-Gerät deutlich effizienter als ein herkömmliches Kühlgerät.
Auch die Energieeffizienz der Kompressor-Kühlung in der neuen Geräteserie ist sehr hoch. Zum Einsatz kommen DC-Motoren sowohl bei den Lüftern als auch beim Kompressor. Dank der Inverter-Technologie, mit der über eine Spannungsregelung die Drehzahl von Kompressor und Lüfter eingestellt werden kann, wird immer exakt die Kühlleistung zur Verfügung gestellt, die aktuell benötigt wird. Der Energieverbrauch sinkt dadurch gegenüber einer herkömmlichen Lösung deutlich. Testergebnisse haben gezeigt, dass durch die hohe Energieeffizienz der neuen Kühlgeräte Einsparungen durchschnittlich bis zu 75 % möglich sind.
Durch die leistungsgeregelte Kühlung entfällt für alle Komponenten im Schaltschrank der thermische Stress. Ständige Temperaturschwankungen, wie bei der klassischen Zwei-Punkt-Regelung der Fall, gehören der Vergangenheit an. Damit erhöht sich nicht nur bei den Kühlgeräten, sondern auch bei den Komponenten im Schaltschrank die Lebensdauer erheblich, was insgesamt zu einer höheren Prozesssicherheit führt. Die Blue-e+-Geräte decken einen Leistungsbereich von bis zu 6.000 Watt ab und sind bei Temperaturen von -30 °C bis 60 °C einsetzbar.