Pumpen und Armaturen Energieeffizienz bei Pumpenanlagen neu gedacht

Autor / Redakteur: Stéphane Itasse / Stéphane Itasse

Das Thema Wirkungsgrad und Energieeffizienz ist für Ingenieure nicht wirklich neu. Neu ist hingegen ein Ansatz von KSB, um die Effizienz von Pumpenanlagen zu erhöhen. Dabei kommt es zwar auf jede Komponente an – doch letzten Endes ist das Gesamtsystem entscheidend.

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Mit seinem Energieeffizienzkonzept Fluid Future durchleuchtet KSB komplette Pumpensysteme.
Mit seinem Energieeffizienzkonzept Fluid Future durchleuchtet KSB komplette Pumpensysteme.
(Bild: KSB)

Ganz neu ist die Frage nach der Energieeffizienz bei der KSB AG in Frankenthal nicht. Schon der Vorläufer der weltweit meistverkauften Wassernormpumpe Etanorm, die Eta-Pumpe, trug den griechischen Buchstaben η als Abkürzung für den Wirkungsgrad im Namen.

Radikal neu ist allerdings die Betrachtungsweise beim Energieeffizienzkonzept namens Fluid Future: Es geht nicht mehr nur um die Komponenten, sondern um das Pumpensystem als Ganzes.

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Das Pumpensystem als Ganzes erfassen

„Wir wollen damit alle Möglichkeiten zur Optimierung von Prozessen und Anlagen aufzeigen“, erläutert Daniel Gontermann, Leiter Bereich Hocheffizienzantriebe, den Ansatz. „Das ist wie beim Bau eines Hauses“, erklärt er: „Fundament, Wände, Decken, Dachstuhl – jeder Bauabschnitt muss gewissenhaft geplant werden, damit ein tragfähiges und solides Gebäude entsteht.“ Genauso identifiziere KSB in aufeinander aufbauenden Teilbereichen die Optimierungspotenziale einer Pumpenanlage. Die Bausteine sind:

  • die Analyse des Systems,
  • die Auslegung,
  • die Hydraulik,
  • die Antriebe und
  • die Fahrweise.

Im ersten Schritt, bei der Analyse des Systems, geht es darum, Einsparmöglichkeiten aufzuspüren. Denn Energieeffizienz rentiert sich durch zahlreiche Details. Eine Analyse des gesamten Systems bildet daher die Basis für weitere Entscheidungen.

Lastzustand der Pumpenanlage erfasst

Zur Analyse gehört der System-Effizienz-Service (SES). Bei dieser Dienstleistung installiert KSB einen Datenlogger leihweise beim Anwender. Dieser erfasst Prozess- und Schwingungsgrößen und identifiziert so den Lastzustand im Pumpenbetrieb. Experten können den Lastzustand dann mit der Auslegung abgleichen. Nach der Messdatenerfassung hat der Anwender einen Überblick über die Effizienz der Anlage und Empfehlungen, um sie zu steigern.

Geht es darum, die Daten der Pumpen im Betrieb zu erfassen, bietet KSB zudem das Pumpmeter zum Kauf an. Es stellt die Werte auf einem Display dar. Da die Daten kontinuierlich ausgewertet werden, erhalten die Anwender im Laufe der Zeit ein individuelles Lastprofil. Werden Optimierungspotenziale festgestellt, leuchtet das Energieeffizienz-Icon (EFF).

Für den zweiten Baustein, die Auslegung, hat KSB die Software Easyselect entwickelt. Als laut Hersteller einzige Pumpsoftware auf dem Markt ermöglicht sie die Auslegung sowohl von Pumpen als auch von Armaturen. Zu Beginn wählen Anwender eine Startmethode, im zweiten Schritt Branche und Einsatzgebiet der Pumpe aus. In den folgenden Eingabemasken lassen sich die Betriebsparameter der Pumpen und Armaturen konfigurieren und spezifizieren.

Basis: energieeffiziente Komponenten

Natürlich ist eine maximale Energieeffizienz im System nicht ohne die richtigen Komponenten erreichbar. KSB achtet dafür bei seinen Pumpen und Armaturen auf optimale Strömungskonturen für einen Transport von Flüssigkeiten. Damit eine Pumpe an ihrem tatsächlichen Betriebspunkt im maximalen Wirkungsgrad arbeitet, passt KSB die Hydraulik an den Bedarfsfall an. Der Betrieb im Optimum zahlt sich zudem dadurch aus, dass die Pumpen ruhiger laufen und eine längere Lebensdauer haben.

Für die beste Energieeffizienz benötigt jede Anlage einen anderen Antrieb

Neben der Hydraulik leisten auch die Antriebe einen wichtigen Beitrag zur Energieeffizienz eines Gesamtsystems. Allerdings ist jede Anlage anders und benötigt deshalb auch einen anderen Antrieb.

Der IE2-Asynchronmotor ist derzeit die günstigste richtlinienkonforme Antriebstechnik. Bei einer niedrigen Betriebsstundenzahl und gleichzeitig statischem Betriebspunkt kann dieser Antrieb am wirtschaftlichsten sein. Um eine ErP-Konformität auch nach 2015 zu erreichen, kann der IE2-Motor mit einem Frequenzumrichter ausgestattet werden. Er ist dann auch für den Einsatz bei variablen Lastprofilen geeignet.

Bei statischem Betriebspunkt ist der ungeregelte Asynchronmotor meist die beste Antriebslösung. KSB empfiehlt hier die robusten und effizienten IE3-Motoren, die netzanlauffähig sind und den gesetzlich vorgegebenen Standards ab dem kommenden Jahr entsprechen.

Wer beim Antrieb noch mehr Energie einsparen will, könnte bei einem statischen Betriebspunkt auch den Asynchronmotor der Energieeffizienzklasse IE4 einsetzen. Allerdings ergibt sich hier wegen des sehr hohen Anschaffungspreises eine lange Amortisationszeit.

Magnetfreie Synchronreluktanzmotoren der Klasse IE4 sparen viel Energie bei variablem Betriebspunkt

Bei variablem Betriebspunkt ist ein KSB-Supreme-Motor mit Frequenzumrichter der sinnvollste Antrieb. Die magnetfreien Synchronreluktanzmotoren der Klasse IE4 sparen Energie, sind sehr effizient im Teillastbereich und weisen eine sehr gute Umweltbilanz auf. Mehr erfahren Sie in dieser Webinar-Aufzeichnung über den Supreme-Motor.

Bei mindestens ebenso hoher Energieeffizienz wie dem Permanentmagnetsynchronmotor (PMSM) punktet diese Antriebstechnik durch den Verzicht auf magnetische Bestandteile. Der Supreme-Motor ist unabhängig von seltenen Erden und schont damit Ressourcen. Weitere Vorteile im Vergleich zum PMSM sind:

  • höhere Wirkungsgrade im Teillastbereich,
  • keine Gefahr der Entmagnetisierung,
  • geringere Massenträgheit des Rotors,
  • geringere Betriebstemperatur sowie
  • Robustheit.

KSB hat zur Verdeutlichung ein Rechenbeispiel erstellt: Ein 7,5-kW-Supreme-Motor hat bei voller Drehzahl und voller Belastung im Vergleich zum entsprechenden IE2-Motor bereits einen um bis zu 4 % höheren Wirkungsgrad. Bei einem Viertel der Drehzahl und infolgedessen einem auf 25 % reduzierten Förderstrom kann der Vorteil bereits bis zu 25 % betragen.

So ergibt sich zum Beispiel für den Betreiber einer Heizungsumwälzpumpe an nur einem Motor dieser Nennleistung eine jährliche Einsparung von 1380 kWh. Das Aggregat verursacht damit pro Jahr 815 kg weniger CO2-Emission im Vergleich zu einer geregelten Pumpe mit IE2-Asynchronmotor. Die Berechnung der Betriebszeitanteile erfolgte gemäß dem für diese Anwendung typischen Lastprofil Blauer Engel. Bei einem Energiepreis von 15 Cent pro Kilowattstunde ergibt sich Jahr für Jahr eine Kosteneinsparung von 207 Euro pro Motor.

Da KSB für den IE4-Motor in Kombination mit seiner Etaline-Pumpe bis 18,5 kW keinen Aufpreis verlangt, lohnt sich die Investition ab dem ersten Tag. Die Einsparung, die sich durch den drehzahlgeregelten Betrieb gegenüber ungeregelten Pumpen zusätzlich ergibt, ist hier nicht berücksichtigt. Der 7,5-kW-Motor bietet sich als Beispiel an, da er nah an den Mittelwerten der gesamten Baureihe liegt und derzeit mit 19 % Stückzahlanteil auch der am häufigsten verkaufte Motor ist.

Bedarfsgerechtes Fahren der Pumpenanlage reduziert Energieverbrauch um bis zu 70 %

Im letzten Schritt sorgt KSB mit seinem Konzept für eine bedarfsgerechte Fahrweise der Pumpenanlage. Damit können Anwender einen hohen Wirkungsgrad über den gesamten Lebenszyklus hinweg erreichen, und die Pumpe bleibt energieeffizient und verfügbar. Deswegen kommt es bei der Beratung darauf an, über die gesamte Betriebszeit Bedarfssituationen zu erkennen und ihnen mit Regelkonzepten zu begegnen. Mit einer optimierten Fahrweise werden Energieeinsparpotenziale von bis zu 70 % möglich. Das Regelgerät Pumpdrive passt die Drehzahl des Motors einer Pumpe an den Förderbedarf an.

Was sich mit dem Fluid Future im Betrieb erreichen lässt, zeigen Beispiele aus der Praxis. So ist es der Heidelberger Druckmaschinen AG gelungen, am Produktionsstandort in Brandenburg an der Havel hohe Energieeinsparungen zu realisieren. Das Unternehmen fertigt dort die Wellen, Walzen sowie Profilteile und vormontierte Baugruppen. Bis November 2011 waren im Kühlschmiermittel-Kreislauf der Schleifmaschinen vier ungeregelte Pumpen mit je 37 kW Motorleistung in Betrieb, die mit ihrem Stromverbrauch einen erheblichen Kostenfaktor bildeten. Die Analyse zeigte, dass die alten Pumpen auf einen deutlich zu hohen Betriebspunkt ausgelegt waren, sodass der Förderstrom durch nachgeschaltete Drosselklappen begrenzt werden musste. Heidelberger entschied sich für den Austausch der Pumpen in Verbindung mit Supreme-Motoren sowie für die Modernisierung der Steuerung. Es wurde eine Energieersparnis von rund 78 % und eine Amortisationszeit von 1,6 Jahren prognostiziert.

Etanorm-Pumpen können von 100 m³/h durchströmt werden

Die neu installierten Pumpen des Typs Etanorm sind jeweils mit einem Pumpmeter und mit einer Drehzahlregelung Pumpdrive für die Energieeffizienzmotoren ausgestattet. Jede der Pumpen ist für einen Förderstrom von 100 m³/h ausgelegt, sodass eine einzelne Pumpe für den Durchschnittsbedarf ausreicht. Bei höherer Auslastung schaltet die Steuerung eine zweite Pumpe hinzu, während die dritte als Reserve bereitsteht.

Pneumatisch angetriebene Absperrklappen mit geringem Durchflusswiderstand ersetzen Rückschlagarmaturen

Anstelle von Rückschlagarmaturen kommen heute pneumatisch angetriebene Absperrklappen mit geringem Durchflusswiderstand zum Einsatz. Zusätzlich optimierte man die Leitungsführung, um den hydraulischen Widerstand der Anlage zu verbessern, und entfernte vermeidbare Bögen.

Bei der Steuerung entschieden sich die Ingenieure für eine Simatic S7. Als zentrales Bedienelement visualisiert ein Touchdisplay die gesamte Anlage in einer übersichtlichen Schemazeichnung. Die Ansteuerung der Pumpdrives erfolgt über einen integrierten Hyamaster-Programmierbaustein. Die Pumpen sind jetzt sowohl hydraulisch als auch elektrisch an den tatsächlichen Bedarf angepasst. Schon nach den ersten Messungen ergaben sich Einsparungen von 90 %, die nachaltig sind.

Auch die Prominent-Unternehmensgruppe mit Sitz in Heidelberg konnte den Energieeinsatz deutlich senken. Der Hersteller von Dosierpumpen hatte in einen neuen Prüfstand mit Wasseraufbereitung investiert. Die zu prüfenden Pumpen erhalten Wasser, das durch Umkehrosmose, Ozonanlage und Filtration aus dem hauseigenen Anlagenbau behandelt und permanent überwacht wird.

60 % der Energie eingespart

KSB präsentierte hierfür ein System mit abgestimmten Komponenten, das den räumlichen Bedingungen entsprach und eine konstante Druckhaltung bei geringem Energieverbrauch ermöglicht. Einen wichtigen Beitrag leistete hier das Energieeffizienzkonzept Fluid Future. Die Movitec-Pumpen mit Pumpdrive und Pumpmeter gewährleisten einen konstanten Druck und stellen die gewünschte Wassermenge bereit. Die motormontierte Version des Pumpdrive ersetzt komplexe Schaltschranksysteme. Zudem ist die Einheit aus Pumpe, Pumpdrive und Pumpmeter ab Werk vorparametriert, sodass unter anderem die Pumpenkennlinie im Pumpdrive und im Pumpmeter bereits hinterlegt ist. Durch die bedarfsgerechte Fahrweise tritt eine Energieeinsparung von bis zu 60 % auf. Dank Pumpmeter werden die Pumpen permanent überwacht und ein Fehlbetrieb kann somit frühzeitig erkannt werden.

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Meilenstein-Serie Pumpen und Armaturen
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