23.11.2007 | Autor / Redakteur: Daniel Gontermann / Frank Fladerer
Etwa ein Drittel des gewerblichen Stromverbrauchs entfällt auf Pumpenmotoren. Weil die Stromkosten für den gewerblichen Verbrauch seit 2002 um rund 50% gestiegen sind, setzen die Unternehmen in Deutschland zunehmend auf Energiesparmaßnahmen. Eine bedarfsabhängige, automatische Leistungsanpassung der Pumpenantriebe ermöglicht bei optimaler Auslegung des Pumpenaggregats Einsparungen bis zu 60%.
Die Kosten der elektrischen Antriebsenergie für Pumpensysteme schlagen über die gesamte Betriebsdauer mit erheblichen Summen zu Buche: Über den Lebenszyklus einer Pumpe betrachtet, nehmen die Energiekosten durchschnittlich einen Anteil von 45% an den Gesamtkosten ein.
Zusätzlich zu Energie- und Investitionskosten entstehen auch Kosten für Instandhaltung und Wartung. Auf Betrieb, Wartung und Reparatur entfallen typischerweise rund 30% der „Life-Cycle-Costs“ (abgekürzt: LCC). Für Investition, Installation und sonstige Nebenkosten verbleiben 25%.
Für Industrie- und Gewerbebetriebe bietet sich ein erhebliches Einsparpotenzial, weil Pumpen nicht immer ihre volle Leistung erbringen müssen – ob in der Prozesstechnik, für Kühlsysteme, zum Transport chemischer Flüssigkeiten oder für die Wasserversorgung. Dieses Einsparpotenzial liegt vor allem im Verhältnis der benötigten hydraulischen Förderleistung zur aufgenommenen elektrischen Antriebsenergie des Pumpenaggregats begründet.
Eine Pumpe liefert zwar die geforderten Durchflussmengen und Drücke über einen breiten Arbeitsbereich, ein wirtschaftlicher Betrieb ist jedoch nur im Bereich des optimalen Betriebspunktes gegeben. Allerdings wird dieser, vor allem bei ständig schwankendem Bedarf, eher selten erreicht. Ohne eine bedarfsabhängige Leistungsanpassung bedeutet dies unnötig hohen Verbrauch an Antriebsenergie und damit auch höhere Betriebskosten.
Wo große Fördermengen und hoher Druck erforderlich sind, gleichzeitig aber die Entnahme oder Umwälzmenge kontinuierlich variiert, kann eine neue Entwicklung von Hochdruck-Inlinepumpen mit Pumpendrehzahlregelung die Förderleistungen dem jeweils momentanen Bedarf anpassen. Die Baureihe Movitec Pump Drive wurde vom Pumpenhersteller KSB für den Betrieb von bis zu sechs Pumpen konzipiert (Bild 1).
Ein möglicher Anwendungsbereich ist die Kühlwasserversorgung in einem kunststoffverarbeitenden Industriebetrieb. Dort muss trotz schwankender Durchflussmengen an den einzelnen Maschinen eine definierte Kühlwassermenge bereitgestellt werden, um eine gleichbleibende Qualität der Kunststofferzeugnisse gewährleisten zu können. Unter tatsächlichen Betriebsbedingungen betrachtet, arbeiten Pumpen ständig mit voller Drehzahl, obwohl oft nur ein Bruchteil der Förderleistung benötigt wird.
Der Energieverbrauch in der Industrie ließe sich durch den Einsatz hoch effizienter Pumpensysteme erheblich reduzieren, weil dort rund 30% der elektrischen Energie von Pumpen verbraucht werden. Nach Informationen der Deutschen Energieagentur (dena) beläuft sich allein bei den Pumpensystemen das Einsparpotenzial der deutschen Unternehmen auf etwa 15 Mrd. kWh pro Jahr.
Durch vorausschauende Planung lässt sich eine effektive Reduktion der Energiekosten bereits im Vorfeld berücksichtigen, was sich wesentlich auf die Lebenszykluskosten auswirkt. Für die Planung und Auswahl eines Pumpensystems sind dabei nicht nur die benötigten Leistungen maßgebend, sondern vor allem auch die Betriebsweise.
Darunter ist zu verstehen, welche Laufzeiten sich für die jeweiligen Förderleistungen ergeben. Zunächst orientiert sich die Wahl eines geeigneten Pumpentyps an den Auslegungsdaten für die Fördermenge Q [m3/h] und die benötigte Förderhöhe H [m].
Der Betriebsbereich mit dem optimalen Gesamtwirkungsgrad liegt dort, wo die Pumpe über die längste anteilige Laufzeit den bestmöglichen Gesamtwirkungsgrad erreicht (Bild 2). Sind stark schwankende Betriebsbedingungen zu erwarten, lässt sich durch eine bedarfsabhängige Pumpendrehzahlregelung eine energieoptimierte Arbeitsweise erreichen.
Die Drehzahlregelung Pump Drive registriert über einen Sensor fortlaufend Veränderungen und passt die Förderdaten stufenlos dem tatsächlichen Bedarf an. Auch beim parallelen Betrieb mehrerer Pumpen in einer Anlage kann die stufenlose Leistungsanpassung den Energieverbrauch je Pumpe erheblich senken (Bild 3). Auf diesem Wege lassen sich die Pumpenbetriebskosten für den elektrischen Antrieb um bis zu 60% reduzieren.
Die Pumpendrehzahlregelung ermöglicht es, bereits in der Planung auf detailliertere Fragestellungen einzugehen, die bisher nicht immer zufriedenstellend geklärt werden konnten:
Völlig unberücksichtigt bleiben mussten bisher die baulichen Veränderungen, die sich besonders in Industrieanlagen als laufender Prozess darstellen: Erweiterungen und Rückbauten der Leitungsanlage, zusätzliche Anschlüsse, ausgewechselte oder stillgelegte Verbraucher verändern ständig die hydraulischen Eigenschaften des gesamten Versorgungsnetzes. Über die Jahre hinweg entwickelt sich dabei häufig ein regelrechter Wildwuchs, der bei einem ohnehin komplexen System auslegungstechnisch kaum mehr berücksichtigt werden kann.
Am Beispiel der Kühlwasserversorgung lässt sich darstellen, wie eine stufenlose Pumpendrehzahlregelung die Förderleistung dem tatsächlichen Bedarf anpasst.
Um an einer bestimmten Stelle unabhängig vom übrigen Netz einen konstanten Fließdruck bereitzustellen, ermöglicht die von KSB entwickelte Drehzahlregelung die Druckregelung mit förderstromabhängiger Sollwertnachführung. Dies bedeutet, dass die Leistungsanpassung auf einen definierten Punkt in der Anlage ausgerichtet werden kann, so dass dort die geforderten Werte konstant bleiben, die Pumpenleistung sich aber auch dem jeweils momentanen Bedarf anpasst.
Die Pumpendrehzahlregelung ermöglicht durch zwei separate Analog-Eingänge, dass über Sensoren an verschiedenen Stellen des Rohrnetzes Messwerte erfasst werden können. So kann zum Beispiel an einem bestimmten Punkt innerhalb der Anlage sichergestellt werden, dass die benötigte Durchflussmenge beziehungsweise der erforderliche Druck beibehalten wird.
Große Versorgungsnetze werden immer wieder erweitert, verändert, teilweise auch rückgebaut. Damit verändern sich auch jeweils die hydraulischen Eigenschaften; die Anlagenkennlinie hat irgendwann einen anderen Verlauf als zum Zeitpunkt der Auslegung.
In gleicher Weise wirken sich Veränderungen aus, die im Verborgenen bleiben – zum Beispiel Inkrustationen, die allmählich die Leitungsquerschnitte verringern. Diese Veränderungen werden von der Pumpendrehzahlregelung registriert, die Förderleistung wird entsprechend korrigiert.
Schaltet sich bei parallel betriebenen Pumpen eine Pumpe dazu, addieren sich die Fördermengen der einzelnen Pumpen (Q1+Q2+Qn) theoretisch zu einer Gesamtfördermenge Qges. Diese Formel berücksichtigt jedoch nicht, dass die Gesamtförderleistung vom Verlauf der jeweiligen Anlagenkennlinie abhängt. Bei Mehrpumpenbetrieb verschiebt sich der Betriebspunkt in Richtung Teillast und entfernt sich damit vom Wirkungsgrad-Optimum.
Auf die Energiekosten wirkt sich die Abweichung vom optimalen Betriebspunkt umso mehr aus, je größer die Zahl der Betriebsstunden ist. Die Drehzahlregelung gleicht dabei Förderleistungen so ab, dass alle parallel betriebenen Pumpen in der Nähe ihres optimalen Wirkungsgrades arbeiten.
Beim Einsatz mehrerer Pumpen in einer Anlage wird sichergestellt, dass alle gleichmäßig ausgelastet sind. Der wechselweise erfolgende Pumpenbetrieb verhindert auch eine zu starke Beanspruchung der Hauptpumpe sowie mögliche Stillstandsschäden der übrigen Pumpen. Bei geforderter Redundanz der Anlage kann die Pumpendrehzahlregelung in einer Ausführung gewählt werden, die bei Ausfall der Hauptpumpe automatisch eine weitere Pumpe als Master aktiviert.
Die motormontierte Pumpendrehzahlregelung ermöglicht über die Anpassung der Förderleistung hinaus auch die Betriebsüberwachung sowie die Abfrage von Betriebsdaten. Für Mehrpumpenanlagen wird die Drehzahlregelung werkseitig weitestgehend vorparametriert, so dass die Pumpenanlage sofort nach dem Prinzip „Plug & Run“ in Betrieb gesetzt werden kann. Bei der Inbetriebnahme einer Einzelpumpenanlage sind vor Ort an der Steuereinheit Pump Drive nur noch wenige Parameter einzustellen.
Die Parametrierung kann über die im Gehäuse integrierte Grafik-Bedieneinheit oder auch über einen Laptop erfolgen (Bild 4). Die Pumpendrehzahlregelung kann auch an vorhandenen Pumpenmotoren nachgerüstet werden, die über ein eigenes, autarkes Kühlsystem verfügen. Das gilt sowohl für Pumpen von KSB als auch für andere Fabrikate.
Dipl.-Ing. (FH) Daniel Gontermann ist Produktmanager Pumpendrehzahlregelungen bei der KSB Aktiengesellschaft in 67227 Frankenthal.
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