Energieeffiziente Pumpen und Motoren

Die Autoren: Oliver Weckerle Trainer, Grundfos Dr.-Ing. Jörg Meyer Leiter Energie- & Klimaschutzberatung, Siemens

Es werden noch Jahre ins Land gehen, bis erneuerbare Energien (Solar-, Wasser-, Gezeiten- und Windenergie, Erdwärme, Biomasse) als langfristig tragfähige Energiequellen in ihrem Potenzial voll ausgenutzt werden können. Deshalb müssen die heute bereits verfügbaren Technologien zur Energieeinsparung konsequenter genutzt werden. Fachleute sind sich branchenübergreifend einig in der Einschätzung: Wenn wir die Energieeffizienz nicht sofort erhöhen, könnten die ‚sauberen‘ Energien zu spät kommen.

Ein Schlüsselelement der Ökodesign-(ErP-) Richtlinie ist die Entwicklung und Umsetzung einer neuen Effizienzskala für Elektromoto ren, die die Energieeffizienz in drei Klassen einteilt: IE1, IE2 und IE3 (demnächst noch IE4). Bereits seit dem 16. Juni 2011 müssen nahezu alle neuen Motoren im Leistungsbereich von 0,75 bis 375 kW die IE2-Norm erfüllen. Ab 2017 müssen sie entweder IE3 oder IE2 unter Verwendung eines Frequenzumrichters erfüllen. Bis 2020 sollen durch die Motoren-Richtlinie 135 TWh Energie eingespart werden, das sind 5 % des gesamten Stromverbrauchs in Europa.

Rund 25 % des industriellen Energieverbrauchs entfallen allein auf Pumpen. Durch den Einsatz von Hocheffizienzpumpen können Betreiber deutlich Kosten reduzieren. Diese Pumpen sind im Vergleich zu Standardpumpen energiesparender, da sie effizientere Motoren verwenden (siehe oben) und ihr Design optimiert ist. Außerdem vermeiden sie mithilfe von Frequenzumformern zur Anpassung der Drehzahl unnötig hohen Strombedarf bei kleinen Fördermengen.

Daher setzt die Ökodesign-Richtlinie bei Pumpen Effizienzvorgaben; zunächst betrifft dies Nassläufer-Umwälzpumpen in Heiz- und Kühlkreisläufen (ErP Lot 11): Ab dem 1. Januar 2013 dürfen außerhalb dieser Anlagen installierte (externe) Umwälzpumpen nur noch einen Energie-Effizienz-Index (EEI) von max. 0,27 aufweisen, ab 2015 darf der EEI nur mehr max. 0,23 erreichen. Ab dem 1. August 2015 sind auch Umwälzpumpen betroffen, die in diesen Anlagen integriert sind.

Spezifisch auf die kommenden Anforderungen ausgerichtet ist die Produktlinie Blueflux von Grundfos: Deren Motoren und Frequenzumrichter sind eigens für den kombinierten Einsatz konzipiert und speziell auf den Einsatz bei Pumpen zugeschnitten (die aktuellen und zukünftigen Gesetzesanforderungen zur Motoreffizienz werden erfüllt). Diese Produktlinie verbraucht weniger Energie, arbeitet im Vergleich zu Standardmotoren auf einem gemäßigten Temperaturniveau und lässt einen breiteren Medientemperaturbereich zu. Die höheren Investitionskosten amortisieren sich in der Regel innerhalb von zwei Jahren.

Höchste Wirkungsgrade und Energieeffizienz versprechen auch die Motoren und Frequenz-umrichter der Sinamics-Familie von Siemens: Diese Antriebssysteme decken alle Drehmomentbereiche, Leistungs- und Spannungsklassen ab – und das mit höchster Energieeffizienz. Motion-Control- und CNC-Lösungen realisiert der Betreiber mit den Automatisierungssystemen Simotion und Sinumerik.

Die effizientere Technik sollte nun möglichst rasch auch im Bestand genutzt werden. Allein in der chemischen Industrie sind geschätzt 490 000 Pumpen in Betrieb. Auch wenn sie zuverlässig arbeiten, sind sie oft genug wenig effizient. Das Gleiche gilt natürlich auch für alle Motoren. Das liegt zum einen an der früher üblichen Überdimensionierung jeglicher Technik. Zudem war es über Jahre Standard (und ist heute noch vielfach üblich), Pumpen über eine Drossel- oder Bypass-Regelung an den Förderbedarf anzupassen.

Hinzu kommt, dass sich Anlagen im Laufe der Zeit verändern, die Pumpeninstallation jedoch erfahrungsgemäß nur selten entsprechend angepasst wird. Deshalb ergibt sich nahezu bei jeder Anlage ein Anpassungspotenzial im Hinblick auf die Energieeffizienz. Doch wie findet man die zu verbessernden Anlagen, Pumpen und Motoren im Betrieb? Hilfreich sind hier systematische Betriebsanalysen, professionelle Energiedatenmanagementsysteme, wie sie Siemens anbietet, oder ein Pump Audit durch den Grundfos-Service.

Siemens geht dieses Thema systematisch an und hilft seinen Kunden beim betrieblichen Energiemanagement in allen drei Phasen: Identifizieren, Evaluieren und Realisieren. Ziel dieses ganzheitlichen Ansatzes ist es, das Bewusstsein für das Thema Energieeffizienz zu steigern, die Transparenz zu erhöhen und schließlich die Effizienz zu steigern und den Energieeinsatz zu minimieren. Bei der Transparenzschaffung setzt Siemens auf die bewährte Software B.Data. Mit B.Data können die Energieflüsse unternehmensweit transparent gemacht werden. Beim Evaluieren werden die gesammelten Energiedaten bewertet, um dann Umsetzungsmöglichkeiten erarbeiten zu können. In der dritten Phase, dem Realisieren, helfen unternehmenseigene Produkte, Systeme und Technologien dabei, die möglichen Einsparpotenziale auszuschöpfen. Dazu ein Beispiel aus der Praxis: Der Zellulosefaserhersteller Lenzing AG betreibt die größte Reststoffverbrennungsanlage Österreichs mit einer Leistung von 110 MW. Durch die jahrzehntelange Optimierung der Energieversorgung ist nahezu jedes Verbesserungspotenzial ausgeschöpft. Der Einsatz des Energiemanagementsystems auf Basis von B.Data von Siemens ermöglicht jedoch einen noch detaillierteren Einblick in die Produktionsabläufe, um so die letzten 2 bis 3 % auch noch zu nutzen. Bei rund 12 Millionen GJ Jahresbrennstoffeinsatz resultiert daraus kein kleiner Betrag.

Beim Pump Audit liegt der Fokus auf Pumpen. Hier werden die Betriebsdaten der Pumpen und verschiedene Anlagenparameter gemessen und ein Lastprofil erstellt. Auf Basis der konkreten Messung erarbeiten Spezialisten Umbau-, Ergänzungs- und Austauschempfehlungen mit detaillierter Kostenaufstellung. Damit liegen dem Entscheider alle Informationen für eine Optimierung der Pumpe oder einen Pumpentausch nach energetischen und kostenrelevanten Gesichtspunkten vor. Wie erfolgreich diese Vorgehensweise sein kann, zeigt das Beispiel Bayer Schering Pharma AG. Zwischen Juli 2009 und Mai 2010 führte die Deutsche Energie-Agentur dena zusammen mit Grundfos bei diesem Unternehmen eine Energieanalyse der Kühlwasserversorgung durch. Im Fokus der Analyse standen die in den Rückkühlanlagen installierten Kühlwasserpumpen und das zugrunde liegende Steuerungskonzept. Ergebnis: Durch das Zusammenfassen der Rückkühlwerke zu einem integrierten System lassen sich die Pumpen unterschiedlicher Leistung (und unterschiedlicher Lastprofile) über eine Modifizierung der Steuerung zu einem optimalen Lastzyklus verknüpfen – und das bei deutlich reduzierter Stromaufnahme. Die Umsetzung des Gesamtkonzepts ermöglicht Bayer Schering eine jährliche Energieeinsparung von knapp über 1 Mio. kWh (Ausgangswert: 4,6 Mio. kWh) — und damit eine Kosteneinsparung in Höhe von 109 000 Euro. Über das Projekt lassen sich bis zu 670 t CO2 pro Jahr reduzieren.

Mit der Umsetzung von Energieeffizienzmaßnahmen können Unternehmen ökologische (Klima- und Umweltschutz z. B. CO2-Emissionen, Ressourcenschutz) mit ökonomischen Aspekten (hohe Wirtschaftlichkeit) in Einklang bringen – was für Betriebe von entscheidender Bedeutung ist.

Die Betriebswirtschaftslehre bewertet Investitionen nach der Amortisationszeit (AMZ) oder dem Return of Investment (RoI). Aber ist die Betrachtung tatsächlich richtig im Sinne von relevant für Entscheidungen des Managements? Genau betrachtet nicht: Denn die AMZ beschreibt den Zeitraum, bis wann sich eine Investition wieder einspielt – das heißt: Die AMZ ist aus betriebswirtschaftlicher Sicht ein Risikomaß und kein Rentabilitätsmaß. Langfristige Investitionen, beispielsweise im Energiebereich, die sich durch eine lange Nutzungsdauer auszeichnen, weisen über alle Jahre der Nutzung hohe Einsparungspotenziale auf. Die kurzsichtige AMZ-Betrachtung verhindert dies. Kurz: Unternehmen dürfen bei Energieeffizienzbetrachtungen nicht auf kurze Amortisationszeiten schauen, sondern müssen die Kapitalrendite über die gesamte Nutzungsdauer der installierten Technik berücksichtigen.

prozesstechnik-online.de/cav0712419

Basis dieses Artikels ist das am 13. Juni von Grundfos und Siemens durchgeführte Webinar „Energieeffizienz bei Pumpen und Motoren“. Wer das Webinar verpasst hat, kann sich die Präsentation auf prozesstechnik-online.de/webinare nachträglich anschauen – aus dem Webinar ist dann allerdings ein Webcast geworden, eine Interaktion mit den Referenten ist nicht mehr möglich.