Pumpen auf dem Prüfstand

Ralf Siekmann

Mit einer konsequenten Umrüstung in der Industrie auf effizient angetriebene Pumpen, Ventilatoren, Kompressoren, Zentrifugen etc. könnten jährlich rund 27,5 Mrd. kWh Strom eingespart werden – und das mit einem schnellen Return-on-Investment: „Die Investitionen in solche Energiesparmaßnahmen rechnen sich in einem halben bis zu vier Jahren“, so Klaus Helmrich, Mitglied des Vorstands des Fachbereichs Elektrische Antriebe des ZVEI. Die im September 2007 vorgestellte Klimastudie von BDI und McKinsey habe eindrucksvoll bestätigt, dass sich der Einsatz von Energiesparmotoren der Klasse EFF1 und von elektronischen Antriebsregelungen sowohl betriebswirtschaftlich als auch unter Umweltgesichtspunkten sehr wohl rechnen kann.

Nun wird aber kaum ein Unternehmen trotz dieser Einschätzung konsequent alle Pumpen usw. umrüsten. Doch lohnt es sich, die größten Energiefresser intensiv unter die Lupe zu nehmen. Aussagekräftige und belastbare Fakten liefert dazu eine Analyse der Lebenszykluskosten (LCC). Grundfos bietet die Analyse im Geschäftsfeld Service als Dienstleistung an und untersucht bereits installierte Pumpen.

Sicher: Kein Betriebsingenieur wird bei einer gut funktionierenden Prozesspumpe in den Primärkreisläufen seiner Produktion intensiv über Energieeffizienz oder Wirkungsgrade nachdenken – er achtet vor allem auf die Verfügbarkeit der Pumpe. In der verfahrenstechnischen Industrie sind jedoch nicht nur Prozesspumpen installiert; in Sekundärbereichen (Medienversorgung für die Fabrik- und die Gebäudetechnik) sind eine Vielzahl von Druckerhöhungsanlagen sowie Kälte- und Klimapumpen, zudem zur Eigenwasserversorgung auch Unterwasserpumpen sowie Wasser-Normpumpen im Einsatz. Und hier lohnt ein Blick auf deren Wirtschaftlichkeit.

Die Deutsche Energie-Agentur (Dena) berichtet beispielsweise von einem Fall, wo Heißwasser ganzjährig umgewälzt wurde, um Leckagen zu vermeiden und Anlaufprobleme zu verhindern. Diese Pumpen wurden ohne Frequenzregelung mit fester Drehzahl betrieben. Allein durch eine bedarfsabhängige Regelung des Förderstroms mit Frequenzumrichtern konnten die jährlichen Stromkosten um 6 600 Euro gesenkt werden.

Und bei einem Unternehmen der Chemie zeigte sich, dass die Zirkulationspumpen der Rückkühlanlagen konstant mit hohen Leistungen betrieben wurden, auch wenn häufig ein bedeutend geringerer Förderbedarf erforderlich war. Nun arbeiten dort Pumpen mit drehzahlregelbaren Hocheffizienzmotoren.

Für eine Gesamtkostenanalyse sprechen drei Argumente. In erster Linie ist der wirtschaftliche Aspekt zu nennen, da nur eine systematische Analyse aller Kostenarten Aufschluss darüber gibt, welche Pumpe langfristig tatsächlich die günstigste ist. Zum zweiten ist die Analyse aus ökologischer Sicht von Vorteil, maximiert der Betreiber damit doch die Energieeffizienz einer Anlage. Auch dies gilt es zu bedenken: Wer als Betreiber konsequent die Frage nach den Lebenszykluskosten abklopft, beschäftigt sich auch mit dem Ausfallrisiko unterschiedlicher Pumpenkonzepte – und erhält Hinweise darauf, wie gut die Pumpe zur Anlage und zum Prozess passt. Die investierte Zeit in eine LCC-Analyse rechnet sich also fast immer.

Basis der Ermittlung des Energieverbrauchs ist eine umfassende Lebenszykluskosten-Analyse (Life cycle costs, LCC); auf diese Weise werden alle Kosten eines Pumpensystems über dessen gesamte Lebensdauer berechnet. LCC berücksichtigt somit nicht nur die Investitionskosten, sondern auch die Kosten für die Installation, die Wartung sowie den Energieverbrauch und einen möglichen Verkaufserlös. Die einzige unbekannte Größe dabei ist der Energieverbrauch – und diesen ermittelt der Service-Mitarbeiter mit Hilfe einer mobilen Messausrüstung. Aufgrund der Messergebnisse einiger relevanter Systemparameter wie Fördermenge, Förderhöhe und Energieverbrauch (bei Heiz- bzw. Kühlanlagen zusätzlich noch die Differenztemperatur zwischen Vor- und Rücklauf) können genaue Aussagen über die Wirtschaftlichkeit der Anlagen getroffen werden. Damit ist ein Vergleich mit einem neuen Pumpensystem möglich – und entsprechend der individuellen Systemanforderungen kann dann das für den Betreiber effizienteste System ausgewählt werden. Anhand der Messungen ist auch eine aussagekräftige Amortisationsrechnung möglich.

Die vom Grundfos eingesetzte Durchflussmessung mit Ultraschall ist ein berührungsfreies, genaues und wartungsfreies Verfahren. Da bei diesem Messprinzip die Sensoren außen an der Rohrleitung angebracht werden, bleibt der Installationsaufwand niedrig.

Der Energieverbrauch wird mittels Energiemessgerät direkt am Pumpensteuerschrank ermittelt. Bei Mehrpumpensystemen wird der Gesamtenergieverbrauch aller Pumpen unter Einbeziehung der Ereignisse Zu-/Abschaltung der einzelnen Pumpen gemessen. So kann auch die Wirtschaftlichkeit bei unterschiedlichen Betriebszuständen ermittelt und im Datenlogger abgespeichert werden. Druck, Differenzdruck, Niveau, Temperatur oder Differenztemperatur werden als aktueller Analogwert zeitgleich mit der Förder- und Energiemessung im Datenlogger gespeichert.

Bei den Messungen ist zu unterscheiden zwischen ungeregelten starren und geregelten variablen Pumpensystemen. Ungeregelte starre Systeme sind in relativ kurzer Zeit und mit nicht all zu großem Aufwand zu messen – z.B. ein System zur direkten Hochbehälterbefüllung mit gleich bleibenden Förderstrom- und Druckverhältnissen. Geregelte Anlagen mit variablen Förderleistungen und Druckverhältnissen erfordern einen höheren technischen Aufwand.

Da es sich hier meist um Mehrpumpensysteme handelt, die in Kaskaden gesteuert werden und häufig auch mit Drehzahlregelung ausgestattet sind, ist auch der Zeitaufwand erheblich größer als bei starren Systemen. Hier ist die Ermittlung eines Belastungsprofils unerlässlich, um praktische Fragestellungen wie

beantworten zu können.

Mit Hilfe einer dafür speziell entwickelten Auswertungs- und Berechnungs-Software werden anschließend die gewonnenen Werte mit denen einer potenziellen Neu-Pumpe verglichen und für identische Arbeitspunkte das jeweilige Einsparpotenzial ermittelt.

Ein wichtiger Zusatznutzen bei vorangegangener LCC-Analyse: Durch die konkreten Messergebnisse des Lastganges über 24 h wissen alle Beteiligten sehr viel besser als zuvor, was von den Pumpen an Leistung abverlangt wird. Die Auslegung der neuen Pumpe orientiert sich damit am tatsächlichen Praxisbedarf.

In vielen Fällen wird die Empfehlung lauten: Einsatz eines drehzahlregelbaren Hocheffizienzmotors. Das hat seine guten Gründe. Wird die Pumpe durch eine elektronische Drehzahlverstellung an den jeweiligen Bedarf angepasst, reduziert sich die Leistungsaufnahme des Antriebes erheblich.

Drehzahlgeregelte Pumpen sind ausgesprochen marktwirtschaftlich orientiert, berücksichtigen sie doch sozusagen Angebot und Nachfrage: Es wird nur soviel Strom abgefordert, dass die Pumpe den aktuellen Förderstrom bedienen kann – mehr nicht. Der Einsatz von Motoren der Hocheffizienzklasse EFF1 macht sich bereits ab Betriebszeiten von 2 000 h im Jahr bezahlt – deshalb liefert Grundfos seine Pumpen schon im Standard mit EFF1-Motoren aus. Solche Aggregate empfehlen sich auch wegen ihrer geringen Geräusch-Emissionen: Das Motorengeräusch (und damit ein großer Teil des Pumpengeräusches überhaupt) wird nämlich hauptsächlich durch den Motorlüfter verursacht. EFF1-Motoren benötigen aufgrund des höheren Wirkungsgrades und der deutlich geringeren Abgabe von Verlustwärme weniger Luft zur Kühlung, so dass sie meist mit kleineren und damit leiseren Lüftern auskommen. Die geringere Wärmeabgabe schont zudem die isolierten Kupferdrähte der Statorwicklung und verlängert deren Lebensdauer. Eine niedrige Betriebstemperatur erhöht darüber hinaus die Lebensdauer der Motor-Lager (die Standzeit der Lagerschmierung ist stark temperaturabhängig). Man sieht: Maßnahmen zur Energieeffizienz wirken sich sogar positiv auf die Verfügbarkeit eines Pumpensystems aus!

Es lohnt sich also, von Zeit zu Zeit überprüfen, ob die Pumpentechnik noch wirtschaftlich arbeitet. Denn dank Weiterentwicklungen u.a. in der Motortechnik bieten moderne Pumpensysteme höhere Wirkungsgrade und versprechen somit eine geringere Energieaufnahme. Oft rechnet sich auch der Austausch einer an sich noch funktionstüchtigen Technik. Die Vielzahl von Messungen, die in den vergangenen Jahren durchgeführt wurden, zeigen, dass durch den Einsatz effizienter und neuer Technologien ein Einsparungspotenzial von bis zu 50 % möglich ist.

cav 432

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Pumpen für industrielle Anwendungen