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Geregelte Hocheffizienzpumpen

Prozessrelevante Funktionalitäten integriert
Geregelte Hocheffizienzpumpen

Durch den Einsatz von Hocheffizienzpumpen mit smarter Motortechnik können die Produktionsanlagen der chemischen Industrie noch besser im (Kosten-)Optimum gefahren werden. Die Pumpen arbeiten nicht nur besonders energieeffizient; mit im Antrieb hinterlegten Algorithmen führen sie in eigener Regie bestimmte Funktionalitäten aus.

Autor Andreas Mäckle Vertriebsdirektor Industrie, Grundfos.

Die Chemieindustrie in Deutschland konnte in den zurückliegenden Jahren den Energieverbrauch je Produktionseinheit kontinuierlich senken: Zwischen 1990 und 2013 ging der Energieverbrauch um 20 % zurück – trotz einer Produktionssteigerung um 60 %. Effizienzgewinne über Verfahrensmodifikationen lassen sich jedoch nicht unendlich fortsetzen, solche Maßnahmen stoßen zwangsläufig an die Grenzen des technisch Machbaren.
Beim technischen Equipment sind hingegen selbst die Grenzen des technisch Verfügbaren noch nicht ausgereizt. Hier greift Brüssel mit der Ökodesign-Richtlinie ein: Auf europäischer Ebene gelten Vorgaben zur Reduzierung des CO2-Ausstoßes durch Minimierung des elektrischen Stromverbrauchs. Die Motorenrichtlinie ist ein zentraler Punkt des Ökodesigns – eine naheliegende Stellschraube zum Einsparen elektrischer Energie: Elektromotoren sind in Europa für rund 2/3 des industriellen Stromverbrauchs verantwortlich. Für die Pumpenanbieter bedeutet die Motorenrichtlinie, sich auf Hocheffizienzmotoren und Frequenzumformer zur Drehzahlregelung zu konzentrieren.
Vom Asynchron- zum PM-Motor
Der MGE-Motor von Grundfos – eine selbst entwickelte und produzierte Antriebseinheit für Pumpen mit integriertem Frequenzumformer – erfüllt im Standard schon bislang die Wirkungsgradanforderungen von IE3. Seit März 2013 wird dieser Motor bis zu einer Leistung einschließlich 2,2 kW durch eine besonders effiziente Permanentmagnetmotoren-Baureihe ersetzt. Diese Motoren übertreffen sogar zusammen mit dem integrierten Frequenzumformer deutlich die Anforderungen der Energieeffizienzklasse Super Premium Efficiency IE4 (gemäß IEC TS 60034-31 Ed.1).
Permanentmagnetmotoren zeichnen sich generell durch einen sehr hohen Motorwirkungsgrad aus. Denn dieser Motor benötigt für die Magnetisierung seines Rotors keine zusätzliche Energie – temperaturstabile Hochleistungsmagnete sorgen für die permanente Magnetisierung. Durch die hohe Energiedichte des Rotors kann der Kupferstator wesentlich kleiner ausgeführt werden, was die Ressourcen schont. So werden gerade bei kleineren Antriebsleistungen gegenüber dem herkömmlich verwendeten Asynchronmotor sehr hohe Wirkungsgradsteigerungen erreicht. Als weitere Besonderheit ist herauszuheben, dass PM-Motoren (sie arbeiten als Synchronmaschinen mit einem Frequenzumformer zusammen) im meist beanspruchten Teillastbereich kaum an Wirkungsgrad einbüßen – anders als ältere Asynchronmotoren, die hier einbrechen.
PM-Motoren verbrauchen aufgrund dieser Besonderheiten bis zu 30 % weniger Antriebsenergie als ein herkömmlicher Asynchronmotor. Darüber hinaus arbeitet dieser Motor äußerst leise.
Praxisgerechte Funktionalitäten
Eine der entscheidenden Herausforderungen für Pumpen ist es, einen Wert oder mehrere Parameter konstant zu halten. Darum besitzen MGE-Motoren spezielle Funktionen, die unterschiedliche Parameter des Systems steuern – vom konstanten Druck über die konstante Druckdifferenz, den Proportionaldruck, den konstanten Füllstand bis hin zur konstanten Temperatur. Diese vordefinierten Regelungsarten ermöglichen es dem Betreiber, die Pumpe sehr einfach den üblichen Anwendungen anzupassen. Diese bekannten Funktionen wurden nochmals verbessert und erweitert. Beispiel dafür sind das Befüllen einer Rohrleitung unter verringerter Förderleistung ohne Gefahr eines schädlichen Druckstoßes, das Abschätzen des Volumenstroms auf der Basis der Drehzahl und des Energieverbrauchs sowie das Abschätzen der spezifisch benötigten Energie in kWh/m3 auf Basis des Förderstroms. Neu ist auch die Mehrpumpenfunktion, um zwei parallel installierte Pumpen einzeln oder gemeinsam per Funk (GeniAir) zu koppeln und zu betreiben. Ergebnis: Diese Funktionen optimieren nicht allein das Pumpensystem, sondern die komplette Installation, was dem Betreiber überlegene Prozesslösungen bietet. Im Folgenden ist eine Auswahl neuer Technik-Features aufgeführt:
  • CIM-Feldbuskarten können direkt im Motor eingesteckt werden (LON, Profibus-DP, Profinet, SMS/GSM/GPRS, Grundfos Remote Management). CIM 500-Karten unterstützen Industrial Ethernet-Busprotokolle wie Profinet IO, Modbus TCP und BacNet IP.
  • An über bis zu drei Analogeingänge können diverse Sensoren angeschlossen werden. Neben den klassischen Sensorsignalen (0-10 V, 0/4-20 mA) verarbeitet der MGE auch ratiometrische Eingangssignale (0,5-3,5 V) – somit können nun auch die preiswerten Grundfos Direct Sensors (Druck, Differenzdruck, Volumenstrom, Temperatur) angeschlossen werden.
  • Digitalein- und Digitalausgänge zur Aktivierung von Zusatzfunktionen oder Weiterleitung von Meldezuständen
Diese erweiterte Leistungsfähigkeit der dritten MGE-Generation benötigt keine zusätzliche Hardware, die Installationskosten bleiben auf dem bekannt niedrigen Niveau. In aller Regel sind auch keine weiteren Überwachungsgeräte erforderlich. Diese Motoren sind smart ab Werk und ausgesprochen kommunikativ dazu: Der MGE verfügt über eine interne Bus-Kommunikation via Funk (GeniAir), Verkabelungen z. B. für ein Doppelpumpensystem sind überflüssig. Der integrierte Verbindungsassistent stellt eine Verbindung zur gekoppelten Pumpe her. Beide Pumpen werden dann entweder im Kaskadenbetrieb, im Wechselbetrieb oder im Arbeits-/Standby-Modus gemeinsam gesteuert. Eine traditionelle GeniBus-Kommunikation via Kabel ist weiterhin möglich.
Mit der App Grundfos Go hat der Betriebs- ingenieur eine Fülle von Möglichkeiten, den MGE zu parametrieren oder auszulesen. Die kompletten Einstellungen können als PDF- Dokument abgespeichert und per E-Mail versandt werden.
Kompaktere Anlagen
Planer und Betreiber, die Umbau-/Modernisierungsarbeiten im Bestand durchführen, kämpfen häufig mit Platzproblemen. Kompaktere Anlagen sind dann die wirtschaftlichste Lösung. Vertikale mehrstufige CRE-Pumpen mit dem Hocheffizienz-MGE-Motor bauen besonders kompakt: Auf eine Drehzahl von 3600 min-1 statt auf 2900 min-1 ausgelegt (Hochdrehzahlmotor) kann der Anlagenbauer/Planer/Betreiber in der Regel einen kleineren Motor, zum Teil sogar die kleinere Pumpe auswählen und verfügt dennoch über die gleiche Leistung wie zuvor. Der MGE-Motor ist zudem als Renewable-Version verfügbar. In dieser Ausführung kann der Motor direkt an Solarzellen oder Batterien mit Gleichstrom angeschlossen werden. Der Motor optimiert seine Drehzahl permanent in Abhängigkeit der zur Verfügung stehenden Leistung, in der Fachsprache Maximum Power Point Tracking MPPT genannt. Das bedeutet: Der Motor arbeitet stets an einem Betriebspunkt, wo das Produkt aus Strom und Spannung ein Maximum erreicht. Dieser optimale Betriebspunkt hängt von der Bestrahlungsstärke, der Temperatur und dem Typ der Solarzellen ab.
Halle 8.0, Stand C94
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