Das irische Unternehmen Codd Mushrooms betreibt eine Pilzfarm. Die Produktion steht dabei im Zeichen von Qualität und Nachhaltigkeit. Die Produktions- und Verpackungsanlage gilt als eine der modernsten ihrer Art in Europa. Ein spezielles Vakuumkühlsystem kühlt die Ware in 20min von einer Feldtemperatur von 20 auf 3°C ab, was die Mindesthaltbarkeit des Produkts um zwei Tage erhöht. Der Einsatz erneuerbarer Energien und die kontinuierliche Suche nach Möglichkeiten zur Energieeinsparung tragen zu einer umweltfreundlichen Champignonproduktion bei. Im Laufe der Jahre spielten beim Bau der Produktionsanlagen auch die möglichen Vorteile von Automatisierung eine entscheidende Rolle, wie Geschäftsführer Raymond Codd erklärt: „Durch eine schrittweise Automatisierung waren wir in der Lage, unsere Produktion auszubauen und an unser Unternehmenswachstum anzupassen.“
Energieeinsparpotenzial in der Produktion
Im Hinblick auf Nachhaltigkeit interessierte sich das irische Unternehmen insbesondere für Energieeinsparungen im Kaltwassersystem der Produktion sowie für die Steigerung der Systemzuverlässigkeit. Das System zieht sich durch verschiedene unabhängige Produktionsbereiche, die ihren individuellen Anforderungen entsprechend beheizt bzw. gekühlt werden müssen. Ausschlaggebend sind unter anderem der Produktionsstatus sowie die aktuell herrschenden Umweltbedingungen. Dabei kühlt ein industrielles Kühlaggregat das Wasser des Systems auf +5°C ab. Ein isolierter Puffertank hält diese Temperatur. Im laufenden Betrieb wird das gekühlte Wasser aus dem Tank durch das komplette Kaltwassersystem der Produktion gepumpt. Es fließt durch Wärmetauscher und wird in Rücklauferhitzer zurückgespeist, wo es sich mit wärmerem Wasser mischt. Das Kühlwasser heizt sich auf und fließt deutlich wärmer zurück in den Puffertank. In Folge steigert das Kühlaggregat seine Leistung, um die Temperatur im Tank wieder auf +5°C zu bringen. Um das Potenzial für Energieeinsparungen zu prüfen, kontaktierte das Unternehmen den örtlichen Mitsubishi-Electric-Systemintegrator MPAC. Geschäftsführer Matt Pender blickt zurück: „Es war nicht möglich, den zu erwartenden Kühlbedarf mit dem bestehenden System zu berechnen. Die Anlage lief immer mit voller Auslastung. Tatsächlich effizient arbeitete das System daher nur dann, wenn die vollen 100 Prozent Leistung auch tatsächlich benötigt wurden.“ In der Praxis ist allerdings nur selten die volle Systemleistung gefragt. Und selbst dann ist der Bedarf nicht konstant, sondern variiert von Stunde zu Stunde, von Tag zu Tag. Dabei spielen verschiedene Faktoren eine Rolle, darunter die Anzahl der zu kühlenden Räume, der konkrete Produktionsstatus, die Umgebungstemperatur, die wiederum von lokalen Wetterbedingungen abhängt, und die Luftfeuchtigkeit. Selbst ohne Bedarf pumpte das System die maximale Wassermenge durch die Produktion. Auch wenn es nicht die Wärmetauscher durchlief, heizte sich das Wasser bedingt durch Umgebungstemperatur und Luftfeuchtigkeit auf, sobald es den isolierten Puffertank verließ. Floss es dann zurück in den Tank, erhöhte sich die Temperatur des dort gespeicherten Wassers. Der Kältekompressor musste das gespeicherte Wasser folglich wieder runterkühlen, obwohl es für die Produktion nicht von Nutzen war.
Eingehende Untersuchung
der Verbesserungspotenziale
In einer umfangreichen Prüfung durchleuchtete der Integrator die Ineffizienzen und Verbesserungspotenziale des Kaltwassersystems. In einem Prüfzeitraum von sieben Tagen verbrauchte das System 6115kWh an Energie. Die Effizienz hätte sich zwar theoretisch durch Ausschalten des Systems bei Null- Bedarf maximieren lassen. Dadurch wäre es allerdings auch nicht mehr möglich gewesen, Änderungen im Bedarf zu erfassen. Pender sagt dazu: „Das System wäre ohne gespeichertes Kühlwasser sehr langsam. Muss der Produktionsbereich dann spontan gekühlt werden, reagiert die Anlage nur schleppend.“ Die Lösung sorgt nun dafür, dass sich der jeweilige Kühlbedarf berechnen lässt. Frequenzumrichter der Serie FR-F740 von Mitsubishi Electric steuern die verschiedenen Pumpen, darunter die Primärpumpe, die Wasser zwischen dem Kältekompressor und dem isolierten Puffertank zirkulieren lässt, die Sekundärpumpe, die den unteren Teil der Produktion versorgt, sowie die Twin-Set-Pumpe, die den oberen Teil versorgt. Die Umrichter wiederum sind über CC-Link an eine SPS der Melsec-Q-Serie angebunden. Sensoren erfassen sämtliche Prozessvariablen in Bezug auf Druck und Temperatur. Alle analogen und digitalen Daten lassen sich über die Remote-I/O-Einheit STLite in die SPS einspeisen. Sie berechnet den tatsächlichen Kühlbedarf und sendet entsprechende Steuersignale an die Frequenzumrichter. Aufgrund der präzisen, adäquaten Pumpensteuerung entspricht die Wassermenge, die durch die Primär- und Sekundärkreisläufe fließt, stets dem aktuellen Bedarf. Über ein GOT-HMI lässt sich der Prozess visualisieren und die Anlage bedienen. „Mit dem neuen System laufen die Pumpen effizienter. Die Menge an Warmwasser, die zurück in den Puffertank fließt, ließ sich deutlich reduzieren“, erklärt Pender. „Aufgrund einer Kettenreaktion im Primärkreislauf ist das Kühlaggregat nun deutlich entlastet.“ Denn der Energieverbrauch von Zentrifugalpumpen entwickelt sich exponentiell zur Geschwindigkeit. Das bedeutet, dass selbst eine geringe Reduktion des Tempos zu einer erheblichen Energieeinsparung führt. „Wir haben zu unterschiedlichen Tageszeiten Zu- und Abnahmen des Bedarfs festgestellt“, sagt Matt Pender. „An manchen Tagen verzeichneten wir Lastspitzen eher zur Mittagszeit, manchmal am Morgen und ab und zu auch in der Nacht. Der Vorteil unserer Steuerungslösung liegt darin, dass sie die Last konstant misst und entsprechend reagiert, sodass das System stets am maximalen Betriebspunkt arbeitet.“
Monitoring des Energieverbrauchs
Nach der Installation des neuen Steuerungssystems überwachte MPAC den Bedarf über einen Zeitraum von weiteren sieben Tagen. Dabei stellten die Mitarbeiter einen Rückgang des wöchentlichen Energieverbrauchs von 6.115 auf 664kWh fest. 5.451kWh ließen sich also einsparen. Durch den Wechsel vom Direktstart zur Steuerung mittels Frequenzumrichter ließen sich zudem die auf die Pumpenmotoren wirkenden elektrischen und mechanischen Belastungen reduzieren. Außerdem konnten Stöße, die sonst beim Starten und Stoppen der Pumpen entstehen, vermieden werden, sodass es nicht mehr zu Wasserschlägen kommt. Die Betriebsbeanspruchung der Pumpen ließ sich ebenfalls senken. „Vor dem Upgrade hatten wir bereits ein paar Mängel an mehreren Dichtungen und Lagern festgestellt. Das Upgrade wirkte sich jedoch positiv auf die Wartungsanforderungen und Reparaturkosten aus und erhöhte zugleich die Lebensdauer des Motors und der angetriebenen Komponenten“, fasst Pender zusammen.
