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Im Labor unterbewertet

Lebenszykluskosten und Energieeffizienz von Vakuumpumpen
Im Labor unterbewertet

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Obwohl die Begriffe Lebenszykluskosten und Energieeffizienz in aller Munde sind, ist doch erstaunlich, wie wenig diese Parameter gerade bei Laborgeräten beachtet werden. Größere Produktionsanlagen werden von kosten- und umweltbewussten Betreibern schon seit Längerem so beurteilt. Bei Laborgeräten stehen die Anschaffungskosten im Vordergrund – ein Fehler, wie hier anhand von Vakuumpumpen für Laboranwendungen und kleinere Produktionsanlagen dargestellt werden soll.

Dr. Jürgen Dirscherl

Bei Laborgeräten kommen zu den von Produktionsanlagen bekannten Kostenkomponenten für Investition, Betrieb (insbesondere Energie), Installation und Instandhaltung noch die nicht zu unterschätzenden Personalkosten hinzu. Dagegen sind die Installations- und Instandsetzungskosten bezogen auf die Gesamtkosten meist eher gering. Die Energiekosten stehen natürlich in unmittelbarer Beziehung zum Energieverbrauch und damit auch zur CO2-Freisetzung, solange noch ca. 50 % der elektrischen Energie mithilfe fossiler Energieträger erzeugt wird. Neben dem reinen Kostenaspekt enthält diese Komponente also auch einen umweltpolitischen Aspekt.
Energieeffizienz
Zahlreiche Prozesse wie Eindampfen, Destillieren und Trocknen werden unter Vakuum durchgeführt. Ein Beispiel ist die Eindampfung von Proben in einem Rotationsverdampfer. Dabei wird die Probe unter Vakuum gesetzt, um die Verdampfung der Lösemittel bei niedrigeren Temperaturen zu ermöglichen. Gerade im chemischen Labor und in kleineren Anlagen hat sich in den letzten zwei Jahrzehnten die Chemie-membranvakuumpumpe durchgesetzt, bei der alle medienberührten Komponenten aus chemisch beständigen Materialien aufgebaut sind. Traditionell wird dazu eine Vakuumpumpe mit einem Motor mit fester Drehzahl an den Verdampfer angeschlossen. Viele Proben würden bei zu tiefem Vakuum überschäumen, daher muss das Vakuum eingestellt oder geregelt werden. Früher benutzte man Schlauchklemmen, heute eher manuelle Regelventile oder einen elektronischen Vakuumregler, der ein Ventil in der Verbindungsleitung von Verdampfer zu Pumpe einstellt oder zyklisch öffnet und schließt. All diesen Verfahren ist gemein, dass die Pumpe dabei permanent mit voller Leistung läuft. Die Einstellung der Saugleistung erfolgt durch deren Drosselung auf dem Weg zur Anwendung oder durch Zugabe von „Falschluft“. Im Gegensatz dazu erfolgt bei drehzahlvariablen Systemen die Drosselung direkt durch Einstellung der Drehzahl der Pumpe. Damit erschließt sich unmittelbar, dass diese Art der Drosselung energieeffizienter sein muss als herkömmliche Systeme. Dabei muss man beachten, dass nach dem eigentlichen Abpumpvorgang auf den Siededruck des Lösemittels oft eine sehr geringe Pumpleistung ausreicht, um den Verdampfungsprozess aufrechtzuerhalten. Oft genügen hier weniger als 10 % der nominellen Saugleistung.
Eine weitere Steigerung erfährt die Energieeffizienz (wie übrigens auch die Bedien-effizienz) durch den Einsatz von elektronischen Vakuum-Controllern, die in der Lage sind, einen Verdampfungsprozess vollautomatisch ablaufen zu lassen. Diese Automatik (Vacuubrand Vario) erkennt selbstständig den Siededruck des Lösemittels und führt das Vakuum entsprechend dessen Veränderung nach. Meist wird der Siededruck während der Eindampfung sinken, da sich das Lösemittel permanent durch die Verdunstung abkühlt und sich ein neues Gleichgewicht mit der Nachheizung einstellt. Durch die Vario-Automatik, die weit über eine sonst übliche feste Vakuumeinstellung oder eine Pseudo-Automatik ohne Nachführung hinausgeht, wird nicht nur stets das richtige Saugvermögen – und damit die gerade notwendige Pumpendrehzahl – eingestellt, sondern der Prozess auch optimal, d. h. schnellstmöglich, gefahren. Auch dies ist für die Energieeffizienz von Bedeutung.
Zur Veranschaulichung sind in Bild 1 die gemessenen Stromaufnahmewerte (bei 230 V, 50 Hz) verschiedener Vakuumpumpen bei einem typischen Verdampfungsprozess (500 ml Ethanol bei 50 °C im Rotationsverdampfer) dargestellt. Die rote Kurve zeigt die Stromaufnahme eines herkömmlichen Chemie-Pumpstands mit fester Drehzahl, bestehend aus einer Chemiemembranpumpe mit Zweipunkt-Vakuumregelung, Abscheider und Emissionskondensator. Das Vakuum wurde von Hand während der Verdampfung laufend optimal eingestellt. Der Prozess dauert 33 Minuten und verbraucht 0,1 kWh bis zur vollständigen Verdampfung des Ethanols. Für den Energieverbrauch ist es nahezu irrelevant, ob die Saugleistung der Pumpe geregelt wird. Zu vergleichen ist diese Kurve mit der blauen, die den Stromverbrauch eines sonst baugleichen Pumpstands mit drehzahlgeregeltem Motor (Vacuubrand Vario) zeigt, wobei die Eindampfung vollautomatisch, also ohne jeden Eingriff des Bedieners, mithilfe eines Vakuum-Controllers (CVC 3000) erfolgt. Man erkennt, dass der Stromverbrauch weniger als ein Drittel beträgt und der Prozess sogar etwas schneller abläuft.
Die Energiekosten sowie der CO2-Ausstoß lassen sich also durch einen drehzahlvariablen Antrieb (aus Frequenzumrichter und Asynchronmotor) auf ein Drittel reduzieren. Synchronantriebe mit Permanentmagneten sind gerade bei niedrigen Drehzahlen noch deutlich effizienter und außerordentlich kompakt. Der vollautomatische Pumpstand Vacuubrand PC 3001 Vario zeigt, was mit dieser Technologie möglich ist. Die grüne Kurve in Bild 1 gibt den Stromverbrauch mit einem PC 3001 Vario im Vollautomatik-Betrieb wieder, also ohne jeden Eingriff des Bedieners. Der Energieverbrauch ist nochmals um mehr als einen Faktor 3 niedriger als mit dem drehzahlvariablen Pumpstand mit Frequenzumrichter, und um mehr als einen Faktor 10 niedriger als bei der Pumpe mit Festdrehzahl. Das maximale Saugvermögen des PC 3001 Vario (Bild 2) ist dabei ähnlich dem der Vergleichspumpen, während das Endvakuum sogar deutlich besser ist, also noch höhersiedende Lösemittel eingedampft werden können.
Leider sind solche drehzahlvariablen Antriebe auf der Basis von Synchronmotoren bisher nur bis zu einer gewissen maximalen Leistung erhältlich bzw. bezahlbar, sodass für leistungsfähigere Antriebe weiterhin Frequenzumrichter eingesetzt werden müssen. Doch auch diese bringen bereits 70 % Energieeinsparung. Analoge Einsparungen lassen sich auch bei noch größeren Chemiemembranpumpen erzielen. Bild 3 zeigt einen Vario-Pumpstand mit 2 mbar Endvakuum und 10 m3/h Saugvermögen, vollständig ausgerüstet mit saugseitigem Abscheider, Emissionskondensator und Vakuum-Controller. Systeme dieser Größe eignen sich für den Einsatz im Technikum, in Kilo-Labors und für kleinere Produktionsanlagen. Auch bei größeren Ausführungen ist noch Spielraum offen für weitere Fortschritte bezüglich der Energieeffizienz. Insgesamt lässt sich damit der Energieverbrauch und damit die CO2-Freisetzung mit drehzahlvariablen Antrieben um bis zu Faktor 10 senken.
Personalkosten
Eine weitere wichtige Komponente bei den Lebenszykluskosten sind die Personalkosten. Während bei Produktionsanlagen die Pumpen meist permanent und weitgehend unbeaufsichtigt laufen, sieht es im Labor oft ganz anders aus. Nicht selten wird eine alltägliche Routinearbeit wie die Eindampfung von Proben im Rotationsverdampfer noch von einer hochbezahlten Fachkraft von Hand durchgeführt. Betrachten wir dazu den obigen Muster-Verdampfungsprozess, so erkennen wir, dass dafür bei herkömmlichem Betrieb ein Zeitaufwand von ca. 30 Minuten erforderlich ist. Selbst wenn die Fachkraft während dieser Zeit parallel noch andere Arbeiten durchführt, so muss sie den Prozess doch ständig überwachen und das Vakuum nachstellen. Ist das Vakuum zu hoch, verlängert sich die Prozesszeit, ist es zu tief, kann die Probe überkochen. Auch herkömmliche elektronische Vakuumregler bringen nur teilweise Erleichterung, da diese meist nur auf einen festen Vakuumwert regeln, das Vakuum aber nicht selbstständig nachstellen können, wenn sich die Probe mit Lösemittel langsam abkühlt.
Bei vollautomatischen Reglern erfolgt die Eindampfung buchstäblich auf Knopfdruck. Nach dem Start des Prozesses kann sich der Bediener anderen Tätigkeiten widmen. Selbst die Abschaltung am Prozessende kann vollautomatisch oder bei einem einstellbaren Vakuumwert erfolgen, sodass eine Abtrennung verschiedener Fraktionen möglich ist, ohne dass der Eindampfungsprozess laufend überwacht werden muss. Auch eine vorherige Entgasung von Proben ist problemlos möglich, und all dies ohne lange Einarbeitung oder lästiges Suchen in Tabellenwerken.
Nimmt man an, dass pro Standard-Verdampfung 25 Minuten Arbeitszeit eingespart werden und solche Standardarbeiten mitunter mehrfach täglich durchgeführt werden müssen, so wird das enorme Kosteneinsparpotenzial leicht nachvollziehbar. Ein weiterer Effekt kommt hinzu: Die Projekte werden durch die Arbeitszeitentlastung beschleunigt. Aufgrund dieses Einsparpotenzials amortisieren sich vollautomatisch arbeitende Vakuumsysteme – auch unter Annahme moderater Stundenkostenansätze – innerhalb kurzer Zeit.
Hinzu kommen günstigere Wartungskosten. Bei drehzahlgeregelten Systemen sind die Instandhaltungskosten generell niedriger als bei herkömmlichen Systemen, da die Anzahl der Membranhübe pro Prozess viel geringer ist. Die Pumpe läuft nur genau so schnell wie nötig, und nicht permanent mit Vollgas. Dies verlängert die Lebensdauer der Verschleißteile deutlich.
Die mögliche Energieeinsparung durch moderne Pumpstände wie den PC 3001 Vario ist trotz des beeindruckenden prozentualen Einsparpotenzials (u003E90%) bezüglich der Kosten eher weniger relevant. Erst bei globaler Betrachtung gewinnt dieses Argument an Bedeutung.
Halle B1, Stand 435
Online-Info www.cav.de/0310452
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