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Pumpen und Kompressoren

Im Zeichen der Energie-Intelligenz

Energieeffiziente Pumpen haben Zukunft (Bild: Grundfos)
Energieeffiziente Pumpen haben Zukunft (Bild: Grundfos)
Pumpen und Kompressoren verbrauchen einen Großteil der elektrischen Energie zum Betrieb einer verfahrenstechnischen Anlage. Auf der Achema 2012 stehen Best Practices im Mittelpunkt, die den Energieverbrauch dieser Aggregate weiter senken.

Man hat sich mittlerweile daran gewöhnt, dass vielen Dingen Intelligenz zugesprochen wird; wir kennen intelligente Pumpen und smarte Regelungen – sogar mitdenkende Werkstoffe wurden schon gesichtet. Hinter dem Begriff der Energie-Intelligenz steckt eine deutlich rationalere Bedeutung: Bezeichnet wird damit die zielgerichtete Auswahl und Kombination energieeffizienter Maßnahmen und Komponenten. Und dafür ist durchaus ein gerüttelt Maß an menschlicher Intelligenz vonnöten.

Wie identifiziert man Energieeinsparpotenziale? Ein schneller Ansatz besteht darin, eine einzelne Komponente (Pumpe, Armatur, Wärmeübertrager, Kompressor) oder einen definierten Teil einer Anlage (Druckluftversorgung, Kühlwasserbereitstellung) unter die Lupe zu nehmen und zu optimieren. Das ist für viele Betreiber sicher ein wichtiger erster Schritt, wie auch eine Studie des Fraunhofer Instituts für System- und Innovationsforschung (ISI) zeigt: Demnach zählen Strömungsmaschinen wie Pumpen, Ventilatoren und Druckluftkompressoren zu den besonders energiehungrigen Komponenten einer Anlage.

Wesentlich aufwendiger ist es, eine Anlage als Ganzes zu betrachten und als System zu optimieren. Dieser Systemansatz bietet aber als Belohnung auch die größten Energieeinsparungen. Nicht zuletzt profitiert der Betreiber in vielen Fällen quasi als Zusatzbonbon von stabileren Prozessen und Produktqualitäten.

Energie-Intelligenz bei Pumpen

Realistische Schätzungen (Motor Challenge Programm; Hydraulic Institute) gehen davon aus, dass zwischen 20 und 25 % des weltweit erzeugten Stroms von Pumpen verbraucht werden. Und wiederum ein Viertel davon fällt in Anlagen der Prozess- und Verfahrenstechnik an. Allein in der chemischen Industrie Deutschlands sind geschätzt 490 000 Pumpen installiert.

Der überwiegende Teil aller in Betrieb befindlichen Pumpensysteme ist mit Kreiselpumpen ausgerüstet. Weltweit wird dieser Anteil auf ca. 73 % geschätzt, branchenspezifisch (z. B. in der chemischen Industrie) kann der Anteil durchaus auch bei 85 bis 90 % liegen.

Die beste Energienutzung verspricht eine punktgenaue Auslegung der Pumpe und die hydraulisch optimierte Anordnung in der Anlage. Auch eine kontinuierliche Wartung bietet Einsparpotenzial, nimmt doch bei allen Aggregaten durch Abnutzung bzw. Alterung der Wirkungsgrad ab. In Rohrleitungen nimmt der Leitungswiderstand durch Korrosion und Ablagerungen zu. Armaturen werden undicht, was zu Druckverlusten im System führt. Dadurch können Pumpen bei schlechter Wartung nach Angaben der Forschungsstelle Energieeffizienz bis zu 15 % ihres Wirkungsgrades einbüßen.

Im Vergleich zu Kreiselpumpen glänzen Prozess-Membranpumpen in der Praxis oft mit einem doppelt so hohen Wirkungsgrad. Doch wird der theoretisch erreichbare Wirkungsgrad auch bei Verdrängerpumpen insbesondere aufgrund von Reibungsverlusten nicht immer realisiert.

Für Reibverluste verantwortlich sind das Getriebe (5 bis 40 %), die Kolbenpackung (1 bis 20 %), die Lager (je nach Ölniveau bis 3 %), die Pantschwirkung (bis 3 %) und die Hydraulik (2 bis X %). Als Lösungen bieten sich an:

· Einsatz effizienterer Getriebe wie Zahnradgetriebe oder Riemengetriebe

· Eine günstigere Lagereffizienz (keine Dichtscheiben, Mindestmengenschmierung, optimale Viskosität)

· Gegen Pantschverluste eine Mindestmengenschmierung mit geringstmöglicher Viskosität

· Wahl möglichst kurzer Dichtungen mit kleinen Dichtflächen.

Und wer die Pulsation bei einer Verdrängerpumpe erfolgreich in den Griff bekommt, reduziert den Verlust um mehr als 1 %. Denn eine pulsierende Strömung erzeugt unter Normalbedingungen mehr Druckverlust. Kontinuierliche Strömung spart Energie und schont alle Anlagenkomponenten.

ErP-Richtlinie sichert Mindest-Effizienz-Standards

Gemäß der europäischen Ökodesign-Richtlinie (ErP) müssen Hersteller die Energieeffizienz ihrer Technik über den gesamten Lebenszyklus verbessern und die Umweltbelastung reduzieren. Das gilt natürlich auch für Pumpen.

Nahezu alle Motoren im Leistungsbereich von 0,75 bis 375 kW fallen unter die Motorenrichtlinie (EG640/2009), die wie folgt aussieht:

· Schritt 1: Seit dem 16. Juni 2011 müssen alle Motoren die IE2-Norm erfüllen.

· Schritt 2: Ab dem 1. Januar 2015 müssen alle Elektromotoren von 7,5 bis 375 kW entweder die IE3-Norm oder die IE2-Norm unter Verwendung eines Frequenzumrichters (FU) erfüllen.

· Schritt 3: Ab 2017 müssen alle Elektromotoren von 0,75 bis 375 kW entweder die IE3-Norm oder die IE2-Norm unter Verwendung eines Frequenzumrichters erfüllen.

In den USA gelten solche Mindest-Effizienz-Standards bereits seit Jahren, der Anteil an installierten Hocheffizienzmotoren (IE2) ist deutlich höher als in Deutschland/Europa.

Die ErP-Richtlinie basiert auf der einfach nachvollziehbaren Erkenntnis, dass nicht benötigte Energie die ökologisch wie ökonomisch beste Lösung ist. Im Kontext dazu zeigt eine Studie der Deutschen Unternehmensinitiative Energieeffizienz e.V. (DENEFF) und des Wuppertal Instituts: Durch Stromeinsparungen in Unternehmen und Haushalten lässt sich auf die Jahresproduktion von zehn Kernkraftwerken verzichten.

Die schon immer empfohlenen Details einer guten Pumpenauslegung (Arbeitspunkt nahe dem optimalen Betriebspunkt der Pumpe, hydraulisch korrekte Dimensionierung der Rohrleitungen) und die heute verfügbaren Technologien zur Energieeinsparung (effiziente Motoren, Frequenzumformer zur Drehzahlregelung, wirkungsgradoptimierte Hydraulik, Reduktion der Verluste in den Wicklungen und in den Lagern) müssen zum Erreichen dieses Zieles aber sehr konsequent umgesetzt bzw. genutzt werden.

Die Forschungsstelle Energieeffizienz hat dazu 2009 einige Zahlen ermittelt: Die Investitionskosten setzen sich aus den Kosten des Frequenzumrichters in Höhe von 100 bis 200 Euro/kW Pumpenleistung und den Installationskosten von etwa 2000 Euro je Pumpeneinheit zusammen (die Kosten sind als Richtwerte zu betrachten).

Auch die Laufradanpassung ist eine Möglichkeit, die Leistung einer Kreiselpumpe anlagenspezifisch zu optimieren. Das verringert die Leistungsaufnahme der Pumpe. Das Einsparpotenzial liegt je nach Reduzierung der Pumpen- und Motorleistung zwischen 10 und 40 %. Das Anpassen kostet je nach Laufradgröße bis zu 1000 Euro.

Interaktionsfähige E-Pumpen

Der Einsatz drehzahlregelbarer Antriebe kann nicht nur Energie und Kosten einsparen, sondern macht die Pumpe zudem interaktionsfähig. Eine mit Sensoren und mikroelektronischen Bauteilen bestückte Pumpe steht dann als Aktor zur Verfügung, kann sozusagen handelnd auftreten und den Prozessverlauf mitbestimmen.

Über die kommunikationsfähige, parametrierbare Pumpe wird beispielsweise sichergestellt, dass ein Medium mit dem gewünschten Druck oder dem erforderlichen Volumenstrom zu einem bestimmten Zeitpunkt im Reaktor zur Verfügung steht. Oder dass zwei Komponenten exakt vermischt zu richtigen Zeit präzise zudosiert werden.

Im Vergleich zu mechanischen Regelkonzepten wie dem Drosseln lässt sich die Durchflussmenge mit einem drehzahlvariablen Antrieb wesentlich genauer steuern – bei kürzeren Reaktionszeiten. Die E-Pumpe passt also bei Bedarfsschwankungen die Fördermenge wesentlich schneller und exakter dem aktuellen Bedarf an. Drehzahlregelbare Pumpen arbeiten deshalb nicht nur energieeffizienter, sie helfen auch, Prozesse zu stabilisieren.

Energie-Intelligenz bei Kompressoren

Druckluft wird in der Industrie wie Strom aus der Steckdose verwendet – und ist deshalb als Energieträger in vielen Produktionsprozessen hoch geschätzt. Allein in Deutschland sind etwa 62 000 Druckluftanlagen installiert. Gerade weil Druckluft so sicher und einfach in der Handhabung ist, sind für viele Betreiber die dabei entstehenden Kosten nachgeordnet. So löst sich durch Leckagen zum Teil viel Geld buchstäblich in Luft auf; Verlustraten von 15 % sind eher die Regel als die Ausnahme, manchmal erreichen sie sogar bis zu 70 %. Inzwischen bieten alle namhaften Hersteller Druckluft-Audits an. Damit werden Leckagen identifiziert, falsch dimensionierte Leitungen erkannt oder eine nicht bedarfsgerechte Erzeugung ermittelt.

Höchstmögliche Energieeffizienz jeder einzelnen Druckluft-Komponente ist zwar eine notwendige, aber noch keineswegs hinreichende Voraussetzung für ein optimales Gesamtsystem. Mit Ausnahme von kontinuierlich ablaufenden Prozessen der Verfahrenstechnik weist das per Analyse gewonnene Bedarfsprofil üblicherweise Schwankungen auf. Dann kann es sinnvoll sein, mit drehzahlgeregelten Kompressoren zu arbeiten. Bei größeren Anlagen empfiehlt sich zudem der Einsatz einer übergeordneten Steuerung. Der Vorteil: Mehrere Kompressoren lassen sich in einer Station aufeinander abgestimmt betreiben. Dann kann zum Beispiel durch Lastverteilung (Splitting) auf mehrere Kompressoren unterschiedlicher Größe das Lastverhalten wirtschaftlicher gestaltet werden.

Eine zentrale Druckluftstation bietet dem Betreiber Vorteile, sofern nicht extrem lange Leitungen für eine dezentrale Versorgung sprechen. Lassen sich Kompressoren bündeln, vereinfacht das nicht nur Service und Wartung. Da bei der Verdichtung vor allem Wärme entsteht, kann ein System zur Wärmerückgewinnung die Energiekosten weiter senken. Es lassen sich bis zu 96 % der dem Kompressor zugeführten Energie als Abwärme ein zweites Mal nutzen (z. B. für Heizzwecke).

Druckluft-Contracting gewinnt an Fahrt

Immer mehr Unternehmen nutzen die Möglichkeit, Druckluft mit einer neuen und energieeffizienten Anlage zu erzeugen, ohne Investitionsmittel zu binden – Stichwort Contracting. Bevor das Druckluft-Contracting-Modell gemeinsam mit dem Kunden erarbeitet werden kann, ist das Druckluftprofil zu ermitteln: Also Druckluftverbrauch maximal, durchschnittlich und minimal. Wichtig ist auch das dynamische Verbrauchsverhalten, also: wie groß sind die Verbrauchsänderungen bezogen auf Volumenstrom und Druck innerhalb einer Minute, Stunde oder eines Tages? Welche Druckluftqualität wird benötigt? Und: Arbeitet der Kunde im Einschicht- oder Mehrschicht-Betrieb?

Kurz: Wer sich dafür entscheidet, statt eines Kompressors lediglich die Druckluft zu kaufen, verbessert die Kostentransparenz. Exakte Messverfahren garantieren, dass nur die Druckluftmenge berechnet wird, die tatsächlich dem Netz entnommen wurde. Neben der Kostentransparenz ist das kontinuierliche Optimieren der Druckluftkosten ein Hauptvorteil des Contracting-Systems.

08.12.2011


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