Umrichter in Hochwasserschutzsystemen

Von New Orleans bis zu den Niederlanden – die Welt ist voll von Orten, die von Überschwemmungen bedroht sind. Und die uralte Waffe im Kampf gegen die Katastrophe – die Wasserpumpe – wird dank des Einsatzes von Motoren mit variabler Drehzahl und der Umrichter, die sie steuern, immer effizienter.

Nach Schätzungen der Weltgesundheitsorganisation haben Überschwemmungen zwischen 1998 und 2017 das Leben von über zwei Milliarden Menschen weltweit beeinträchtigt. Neben der unmittelbaren Gefahr für das menschliche Leben können Überschwemmungen auch landwirtschaftliche Flächen (häufig in Überflutungsgebieten) vernichten und in bebauten Gebieten verheerende Schäden sowohl bei baulichen als auch bei infrastrukturellen Anlagen anrichten.

Und da immer heftigere Regenfälle und der Anstieg des Meeresspiegels als Folgen des Klimawandels beobachtet werden, ist zumindest kurz- und mittelfristig mit einer Zunahme schwerer Überschwemmungen zu rechnen.

Was sind die Herausforderungen für eine motorbetriebene Hochwasserpumpe? Und warum sind Motoren mit variabler Drehzahl eine besonders geeignete Antwort auf diese Herausforderungen?

Überschwemmungen sind von Natur aus unberechenbar. Wenn es nach einer langen Trockenperiode zu einer – möglicherweise verheerenden – Überschwemmung kommt, müssen die Pumpen, die längere Zeit stillgestanden haben, sofort, kraftvoll und effizient anlaufen, um große Wassermengen bei ständig schwankenden Durchflussraten zu transportieren (die größte Pumpstation der Welt außerhalb von New Orleans kann über 568.000 Liter Hochwasser pro Sekunde befördern).

Unterschiedlich starkes Ansprechen auf das Hochwasserereignis wird in erster Linie durch die Anzahl der im Einsatz befindlichen Pumpen erreicht.

Mehrere Pumpen sind ein Muss für Hochwasserschutzsysteme (selbst bei den kleinsten Anlagen muss für eine Betriebspumpe eine Reserve vorhanden sein). Die Verteilung der Arbeit auf eine größere Anzahl kleinerer Pumpen anstelle weniger großer ist der erste Schritt zu einem sichereren und besser kontrollierbaren System. Je kleiner die Pumpe ist, desto weniger ist sie Belastungen durch Treibgut, Wirbel und Lufteinschlüsse ausgesetzt.

Drehzahlvariable Motoren sind eine Voraussetzung dafür, dass die Pumpen die ausgeprägte Dynamik des Hochwasserverlaufs mit optimalem Wirkungsgrad bewältigen können.

Das direkte Anlaufen (oder Anhalten) einer Hochwasserpumpe kann infolge der abrupten Änderung der Durchflussmenge in der Leitung zu Wasserschlägen führen. Diese hydraulischen Stöße verkürzen die Lebensdauer der Anlage und führen zu Leckagen an den Verbindungen und Rohrbrüchen. Der Einsatz eines Sanftanlaufs oder Frequenzumrichters gewährleistet ein sanftes Hochlaufen der Pumpendrehzahl bis zur Nenndrehzahl, wobei Frequenzumrichter den zusätzlichen Vorteil bieten, die Motordrehzahl danach vollständig zu regeln.

Eine effiziente Regelung der Drehzahl von Hochwasserpumpenmotoren ist zwar prinzipiell wünschenswert, kann aber eine komplexe Angelegenheit sein.

Während es zum Beispiel aus Sicht des Energieverbrauchs sinnvoll ist, dass ein Motor mit variabler Drehzahl nicht schneller läuft als unbedingt erforderlich, können Pumpen und Rohre, die große Mengen an Hochwasser bewältigen müssen, je nach Konstruktion mehr oder weniger anfällig für Sedimentablagerungen sein. In Anlagen, in denen dies ein Problem darstellt, kann durch eine gleichbleibend hohe Drehzahl die Ablagerung von Sedimenten auf ein Minimum reduziert werden – und damit auch die mechanische Belastung der Motoren.

Wichtig ist auch, dass die Pumpen nicht zu viel leisten. In einem Gebiet wie den Fens, einem Sumpfgebiet rund um den Fluss Great Ouse im Osten Englands zum Beispiel muss der Wasserstand geregelt werden, um die Schifffahrt zu ermöglichen (früher kommerzieller Schiffsverkehr, heute Freizeitboote). Das bedeutet, dass ein Gleichgewicht zwischen einer Unter- und einer Überdrainage gefunden werden muss.

Der Planer des Hochwasserschutzsystems muss daher die Zielwasserstände in der zu schützenden Umgebung sorgfältig ausarbeiten. An diesen Punkten werden dann Daten gesammelt, anhand derer die Umrichter die Motordrehzahl bestimmen: Je höher das Wasser über einen Zielwert steigt, desto schneller arbeitet die Pumpe; je tiefer das Wasser fällt, desto langsamer wird die Pumpe.

Grundsätzlich gilt, dass ein System umso effizienter betrieben werden kann, je genauer es programmierbar ist. Durch SPS oder eine integrierte Proportional-Integral-Differenzial-Regelung (PID) können die voreingestellten Werte durch Einbindung eines Kalenders geändert werden, sodass saisonale Schwankungen des Wasserstands berücksichtigt werden können. Zusätzlich können ergänzend zum Echtzeitbetrieb SCADA-Systeme (Supervisory Control and Data Acquisition) eingesetzt werden, um Informationen über die Entwicklung der Wetterlage zu liefern.

Aufgrund ihrer Leistung, Einfachheit und relativ geringen Größe werden in Hochwasserschutzsystemen bevorzugt Kreiselpumpen eingesetzt. Dank der für Kreiselpumpen und Ventilatoren geltenden Affinitätsgesetze lassen sich durch die Verringerung der Motordrehzahl erhebliche Energieeinsparungen erzielen (eine um 25 % verringerte Motordrehzahl entspricht beispielsweise einer Verringerung des Energieverbrauchs um fast 60 %).

Dies ist wichtig, wenn man die im Allgemeinen hohen Betriebskosten einer Pumpstation bedenkt, von denen einige aus wirtschaftlichen Gründen immer noch Dieselmotoren bevorzugen (obwohl sich solche Systeme mit Wirkungsgraden von nur 20 bis 40 % begnügen müssen).

Beim Bau neuer (oder bei der Umrüstung alter) Hochwasserpumpwerke werden daher heute in der Regel drehzahlvariable elektrische Systeme bevorzugt. Neben den herausragenden Vorteilen der Regelbarkeit, der Effizienz und der Wirtschaftlichkeit sind sie auch vergleichsweise leise – ein wichtiger Gesichtspunkt für Systeme in stärker bevölkerten Umgebungen (daher wird bei einigen Systemen auch die Flüssigkeitskühlung der Motoren und Umrichter gegenüber der Luftkühlung bevorzugt).

Was die Zukunft betrifft, so werden alle motorbetriebenen Systeme immer intelligenter und verbinden komplexere Automatisierung mit immer zugänglicheren Schnittstellen. Insbesondere mit dem Aufkommen der Konnektivität von Telefon-Apps werden die Möglichkeiten der Motorsteuerung, -überwachung und -wartung immer vielfältiger und entwickeln sich auf das Ziel hin, immer effizientere Systeme zu schaffen, was im Zusammenhang mit dem Hochwasserschutz eine immer sicherere Umgebung bedeutet.