Frequenzumrichter für mehr Tunnelsicherheit und Energieeffizienz

Eisenbahn- und Straßentunnel müssen im Hinblick auf Luftqualität und Brandschutz höchsten Lüftungsstandards gerecht werden. Frequenzumrichter können erheblich dazu beitragen, maximale Lüfterverfügbarkeit und Energieeffizienz sicherzustellen und die Gefahr für Menschen im Brandfall zu verringern. Aus diesem Grund sollten Frequenzumrichter bei anspruchsvollen Tunnelprojekten weltweit als Schlüsselkomponente von Lüftungssystemen betrachtet werden.

Egal ob Straßen- oder Eisenbahntunnel, ein regelmäßiger Luftaustausch ist eine Grundanforderung. Lüftungssysteme sorgen für gute Luft und Sicht und erfüllen auch im Brandschutz wichtige Aufgaben – sowohl bei Eindämmungsmaßnahmen als auch der sicheren Evakuierung. Frequenzumrichtern kommt dabei eine wachsende Bedeutung zu. Sie sitzen zwischen der Stromversorgung und den Lüftermotoren und ermöglichen eine präzise Abstimmung der Drehzahl auf den tatsächlichen Lüftungsbedarf – im Gegensatz zu Lüftern, die entweder abgeschaltet sind oder fortwährend mit voller Drehzahl laufen.

Mit Frequenzumrichtern lässt sich die Drehzahl der Lüfter vom übergeordneten Steuerungssystem des Tunnels an den im Tagesverlauf jeweils benötigten Luftstrom anpassen – ausgelöst durch Sensoren, die den Gehalt an Feinstaub, Gasen und anderen Schadstoffen im Tunnel überwachen. Das wirkt sich erheblich auf den Energieverbrauch aus. Schon geringe Drehzahländerungen bewirken massive Energieeinsparungen: Eine Reduzierung der Drehzahl um 10 Prozent führt zu einer Energieersparnis von 27 Prozent. Geringere Lüfterdrehzahlen reduzieren auch die Lärmbelastung. Eine Minderung der Drehzahl um nur 20 Prozent senkt den Schalldruckpegel um mehr als 50 Prozent.

Auch für den Brandschutz spielen Frequenzumrichter eine entscheidende Rolle, da sie die Lüfter bei einem Brandereignis schnell auf Hochtouren bringen können. Darüber hinaus können sie die Richtung des Luftstroms ändern, um die Ausbreitung von Rauch und giftigen Gasen zu verhindern und Sicherheitszonen für eine schnelle und sichere Evakuierung zu schaffen. Die Fähigkeit zur Umkehrung des Luftstroms haben allerdings nur Axialventilatoren und einige Strahllüfter.

Ein wichtiges Merkmal vieler moderner Frequenzumrichter ist der Override-Modus. Damit kann die Feuerwehr die Steuerung von Frequenzumrichtern für Ventilatoren übernehmen und sie zur Entrauchung von Fluchtwegen nutzen. Der Modus wird normalerweise im Brandfall mit einer speziellen Taste in der Brandleitzentrale ausgelöst. Die Override-Funktion „zwingt“ den Frequenzumrichter, vordefinierte Betriebsanweisungen auszuführen, die im Override-Menü gespeichert sind. Dazu gehören auch voreingestellte Drehzahlen und festgelegte Steuerplätze. Der Frequenzumrichter ist so programmiert, dass er die meisten Befehle und Warnungen ignoriert, die ihn normalerweise stoppen würden. Das ermöglicht einen Betrieb „unter allen Umständen“, was in Notsituationen maximale Verfügbarkeit sicherstellt.

Wenn Tunnelventilatoren abgeschaltet sind und sich drehen („Windmilling“), können sie mit rückspeisefähiger Antriebstechnik über den Luftstrom als Generatoren genutzt werden. Die dabei erzeugte Energie kann ins lokale Stromnetz zurückgespeist werden, was die Stromkosten senkt und die Nachhaltigkeit des Tunnelbetriebs verbessert.

Ist eine schnelle Drosselung der Ventilatordrehzahl erforderlich, kommen häufig Bremswiderstände zum Einsatz, die Energie als Abwärme abführen und so zur Wärmelast im Tunnel beitragen. Antriebe, die eine Nutzbremsung ermöglichen, kommen ohne Bremswiderstände aus und erzeugen daher bedeutend weniger Abwärme. Der Verzicht auf externe Bremsanlagen erleichtert zudem die Installation und reduziert den Platzbedarf.

Darüber hinaus befinden sich Tunnel oft an entlegenen Orten mit potenziell schwachem Stromnetz, was eine instabile Versorgung zur Folge haben kann. Rückspeisefähige Antriebe sichern auch dann den Volllastbetrieb der Lüfter, wenn es aufgrund einer schwachen Netzstromversorgung oder äußerer Einflüsse wie überhitzter Kabel im Brandfall zu Spannungseinbrüchen kommt. So kann der Volllastbetrieb über einen längeren Zeitraum aufrechterhalten werden als bei herkömmlichen Antrieben, die die Spannung für den Motor nicht anheben können. Wenn das Lüftungssystem betrieben wird, kann das aktive Frontend des Antriebs genutzt werden, um den Effekt von Oberschwingungen auf den Transformator zu verringern und so eine Überlastung des Netzes zu vermeiden.

Der Umfang von Tunnelbelüftungsvorhaben kann sehr unterschiedlich ausfallen. Das Unternehmen ABB hat in komplexen Projekten umfangreiche Erfahrungen mit dem Einsatz von  Frequenzumrichtern gesammelt. Diese umfassen mit dem Gotthard-Basistunnel den längsten Eisenbahntunnel der Welt und mit dem Dr.-Syama-Prasad-Mookerjee-Tunnel den längsten Autobahntunnel Indiens.

Mit Ventilatoren, die einen Außendurchmesser von rund 3,5 m aufweisen, ist das Tunnelbelüftungssystem des 57 km langen Gotthard-Basistunnels nicht nur das größte, sondern auch das leistungsstärkste der Welt. Es verfügt über eine installierte Maximalleistung von 15,6 Megawatt. 24 Strahllüfter sind an den Tunnelportalen und acht große Zu- und Abluftventilatoren in den Lüftungszentralen installiert. Mittelspannungs-Frequenzumrichter des Typs ACS1000 von ABB regeln die Motordrehzahl der acht großen Ventilatoren, sodass die Motoren in jedem Betriebsmodus nur so viel Energie verbrauchen wie nötig.

Die beiden Lüftungszentralen sind für den Luftaustausch im  Tunnel zuständig. Die Zuluftventilatoren führen über einen Schacht von außen Frischluft zu, die über Klappen reguliert und dann im Tunnel verteilt wird. Die Abluft wird über Axialventilatoren mit bis zu 300 km/h Luftgeschwindigkeit über einen eigenen Schacht nach außen transportiert. Das System ist aus Sicherheitsgründen redundant ausgelegt. Denn neben dem regulären Luftaustausch müssen die Ventilatoren hauptsächlich bei einem Brandereignis für Frischluft in den Nothaltestellen sorgen und gleichzeitig den Rauch gezielt absaugen. Die Regelung des Belüftungssystems ist dabei sehr wichtig, um die Ventilatoren und die Klappen in verschiedenen Szenarien präzise einstellen zu können. Das übergeordnete Leitsystem regelt rund 50 solcher möglichen Fälle – vom Normal- und Wartungsbetrieb bis zum Notfall.

Der Dr.-Syama-Prasad-Mookerjee-Tunnel (ehem. Chenani-Nashri-Tunnel) verbindet Kaschmir, den nördlichsten Bundesstaat Indiens, mit dem Rest des Landes. Der zweispurige Tunnel ist 9,2 km lang und mit einem transversal wirkenden Belüftungssystem ausgestattet, das getrennte Luftführungen für Frischluftzufuhr und Abluft hat. Das System nutzt Antriebe und Motoren von ABB: An beiden Portalen sind Low-Harmonic-Drive-Frequenzumrichter und Motoren für die Frischluftversorgung und Abluftabführung im Einsatz. Diese sind für maximale Verfügbarkeit redundant ausgelegt. Die moderne Tunnelanlage bietet besondere Funktionen wie ein integriertes Verkehrssteuerungssystem, ein Brandmelde- und Brandmanagementsystem und drahtlose Kommunikation. Die zugehörige Sicherheitssoftware enthält zudem einen Override-Modus für Brandereignisse.