Pumpensysteme

Energieeffiziente Pumpensysteme

Pumpensysteme bieten ein hohes Einsparpotential: Die "Leuchttürme energieeffizienter Pumpensysteme" zeigen, dass durch eine Optimierung des Gesamtsystems Pumpe zwischen 18 und 90 % des Energiebedarfs von Pumpen eingespart werden können.

Pumpensysteme: Mehr als die Summe einzelner Komponenten

Pumpensysteme bieten ein hohes Einsparpotential: Verschiedene Faktoren führen dazu, dass bis zu 90 Prozent des Energiebedarfs von Pumpen in einem Unternehmen eingespart werden können.

Der Ratgeber "Pumpen  und Pumpensysteme für Industrie und Gewerbe" gibt Hilfestellungen zur Steigerung der Energieeffizienz von Pumpen und Pumpensystemen. Er enthält Detailinformationen zu allen Bereichen der Anlagenplanung über die Regelung, Steuerung und Auslegung von Rohrleitungen bis hin zur Systemoptimierung.

Beispielhafte Aufteilung der Kosten über den Systemlebenszyklus wasserführender Pumpensysteme

Lebenszykluskosten

Beste Basis für Investitionsentscheidungen: Lebenszykluskosten analysieren.

Das entscheidende Kriterium für die Umsetzung von Energieeffizienzmaßnahme ist ihre Wirtschaftlichkeit. Denn jede Entscheidung für energieeffiziente Technologien ist auch eine Investitionsentscheidung. Um die Wirtschaftlichkeit der geplanten Investitionen zur Energieeffizienzsteigerung genau bewerten zu können, müssen die verschiedenen Kostenarten eines Pumpensystems über seinen gesamten Lebenszyklus betrachtet werden.

Diese Betrachtung ergibt, dass die Energiekosten mit 40 bis über 80 Prozent den größten Kostenanteil ausmachen, oft gefolgt von den Instandhaltungskosten. Dagegen entfallen auf die Anschaffungskosten meist nur ca. zehn Prozent der Lebenszykluskosten.

Diese Kostenrelationen verdeutlichen die Relevanz der Energiekosten als Entscheidungsparameter bei der Systemauswahl: Geringere Betriebskosten und der maschinenschonende Betrieb der Anlagen durch die Optimierung des Gesamtsystems sorgen nicht nur für einen schnellen Rückfluss der Investition, sondern für fortlaufende Einsparungen über die gesamte Lebensdauer der Anlage.

Mit Hilfe des Lebenszykluskosten-Rechner können die Lebenszykluskosten verschiedener Pumpen verglichen werden.

Beispielhafte Aufteilung der Lebenszykluskosten bei Pumpensystemen

Systemanalyse

Das Erfolgsrezept: Systeme betrachten.

Die höchsten Energiespareffekte sind zu erreichen, wenn energiebetriebene Systeme im Ganzen optimiert werden – statt nur einzelne Systemkomponenten isoliert zu betrachten. Daher setzt die Kampagne gezielt bei der Systemanalyse an: Zu den Komponenten eines Pumpensystems gehören beispielsweise Frequenzumrichter, Elektromotor, Getriebe, Pumpe und Rohrleitung sowie das Mess- und Regelsystem.

Maßnahmen zur energetischen Optimierung müssen für jedes Pumpensystem individuell entwickelt und wirtschaftlich bewertet werden. Dabei ist es wichtig, das jeweilige System zunächst im Hinblick auf die Bedarfsparameter (Druck, Volumenstrom, Temperaturniveau etc.), die vorhandenen Betriebsparameter und die Systemkomponenten genau zu analysieren. Weiterer Teil der Erarbeitung eines Optimierungsplans ist die Feinabstimmung aller Komponenten und deren Zusammenspiel.

Bei der Erhöhung der Energie- und Kosteneffizienz der Pumpensysteme kann die Analyse der Lebenszykluskosten eine Hilfestellung bieten. Mit unserem Lebenszykluskosten-Rechner können Sie die kostengünstigste Variante zu bestimmen.

Komponenten eines Pumpensystems

Komponenten des Pumpensystems

Ein Pumpensystem besteht in der Regel aus Behältern, wie Tanks oder Becken, Rohrleitungen, Armaturen, Messgeräten und  Einbauten wie Wärmetauschern, Filtern oder verschiedensten verfahrenstechnischen Apparaten. Zu guter Letzt ist die Pumpe mit ihrem Antrieb das Herz der Anlage.

Der tatsächliche Energieverbrauch eines Pumpensystems setzt sich zusammen aus der nominalen Leistung der Pumpe und der Mehrleistung, die zur Deckung von Verlusten in Rohrleitung, Pumpe, Getriebe, Motor und eventuell dem Frequenzwandler notwendig ist. Bildhaft kann man sich das so vorstellen, als müsse die Energie vom Netz kommend erst verschiedene Stationen durchlaufen, bei denen jeweils ein Teil der Energie verloren geht, bevor sie die eigentlich sinnvolle Arbeit verrichten kann.

Tatsächlich sind diese Stationen meistens Umwandlungen der Energie: von der Netzfrequenz auf niedrigere Frequenzen, vom elektrischen Strom in eine Drehbewegung, von der Drehbewegung in hydraulische Energie. In der Rohrleitung wird das Fördergut mal beschleunigt, mal abgebremst, oft umgelenkt und in Ventilen von einem höheren Druck auf einen niedrigeren gedrosselt. All diese Umwandlungen sind mit Verlusten verbunden. Hinzu kommt Reibung der Welle in Lagern und Dichtungen und des Förderguts an der Rohrleitungswand.

Da die verschiedenen Komponenten gegenseitig ihre Wirkungsgrade beeinflussen können, muss das System als Ganzes betrachtet werden.

Kostenoptimierte Planung und Bau neuer Pumpensysteme

Zu keinem Zeitpunkt im Anlagenleben sind die Gestaltungsmöglichkeiten so groß, wie in der Planungsphase einer neuen Anlage. Wichtig ist, dass allen Beteiligten in der Planung kommuniziert wird, dass das Hauptziel nicht ein minimaler Anschaffungspreis sondern eine energiesparende, zuverlässige und instandhaltungsgerechte Konstruktion der Anlage ist. Auf dieser Basis sollte zunächst eine qualitativ hochwertige Anlage nach dem Stand der Technik geplant werden. Danach schließt sich die Bewertung von Planungsalternativen an. Als Grundlage für die Bewertung dient die Formel der Lebenszykluskosten.

Eine sachgerechte Auslegung des Pumpensystems ist das wichtigste Element für die Optimierung der Lebenszykluskosten. Alle Komponenten sollten gut aufeinander abgestimmt und möglichst optimal an die geplanten Betriebsbedingungen angepasst sein.

Optimierung bestehender Anlagen

Eine große Anzahl bestehender Pumpensysteme bietet hohes Potenzial für Einsparungen. Zum einen gibt es durch den technischen Fortschritt und das zunehmende Bewusstsein für Energiepreise inzwischen viele Anlagenkomponenten mit höheren Wirkungsgraden als noch vor einigen Jahren.

Zum anderen büßen Pumpen, Motoren und Rohrleitungskomponenten durch Alterung an Wirkungsgrad ein. Pumpen können bei schlechter Wartung bis zu 15 Prozent an Wirkungsgrad verlieren. In Rohrleitungen nimmt der Leitungswiderstand durch Korrosion und Ablagerungen zu. Armaturen werden undicht, was zu Druckverlusten im System führen kann. Hinzu kommt, dass über sich eine Anlage durch den Austausch von Komponenten oft vom Auslegungsoptimum entfernt.

Da die richtige Abstimmung der Komponenten aufeinander das Schlüsselelement für geringe Gesamtkosten ist, sollte bei einer angestrebten Verbesserung eine Optimierung des Gesamtsystems vorgenommen werden. Als Grundlage für die Bewertung dient die Formel der Lebenszykluskosten.

Methoden zur Analyse und Optimierung bestehender Pumpensysteme

Eine darüber hinaus gehende Beschreibung der Methoden zur Analyse und Optimierung bestehender Pumpensysteme unter Berücksichtigung der Lebenszykluskosten kann hier heruntergeladen werden:

Methoden zur Analyse bestehender Pumpensysteme

Der Text ist entnommen aus: "Pumpen Lebens-Zyklus-Kosten, Ein Leitfaden zur LCC Analyse von Pumpensystemen". Die Veröffentlichung erfolgt mit freundlicher Genehmigung von "EUROPUMP, Diamant Building, Fifth Floor, Boulevard A, Reyers 80 B1030, Brussels, Belgium".

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Auslegung von Rohrleitungen

Am Anfang steht die Festlegung des technischen Prozesses. Aus diesem leitet sich ein Bedarf an verfahrenstechnischen Apparaten und Behältern ab. Durch die geforderten Drücke und Volumenströme der Systemkomponenten und die räumliche Aufstellung derselben ergibt sich eine Förderaufgabe.

Für die Feinplanung ist es nun sinnvoll, jeweils Anlagenabschnitte zwischen zwei Apparaten oder Behältern als Einzelsystem zu betrachten. Die dem System von außen aufgegebene Transport- bzw. Druckerhöhungsaufgabe kann nun in verschiedenen Varianten umgesetzt werden. Dabei sind ein Rohrleitungsdurchmesser und eine Regelstrategie festzulegen. Beide zusammen haben Einfluss auf den Leistungsbedarf und die geeignete Bauform der Pumpe.

Die Auswahl geeigneter Rohrführungen und Rohrquerschnitte ist zum Beispiel von erheblicher Bedeutung für die Energieeffizienz des Systems. Diese Parameter beeinflussen den gesamten Druckverlust einer Anlage und bestimmen somit die benötigte Förderleistung der einzusetzenden Pumpe.

Auswahl und Regelung

Nach der exakten Berechnung der benötigten Förderhöhe und des Volumenstroms - für einen oder mehrere Arbeitspunkte - kann die Auswahl des Pumpentyps, der Pumpenbauart sowie der Regelungsart erfolgen.

Auswahl der Pumpe und des Motors

Um die Energiekosten und den Verschleiß der Pumpe zu minimieren, muss die Pumpenbauart und -größe so auf die Prozessanforderungen und die gewählte Regelstrategie abgestimmt werden, dass die verschiedenen Betriebspunkte möglichst im Bereich der besten Wirkungsgrade liegen.

Viele Pumpen werden mit verschiedenen Motoren angeboten. Die notwendige Motorgröße sollte sehr genau ermittelt werden, da die Pumpe mit einem zu kleinen Motor ihre Aufgabe nicht erfüllen kann und ein zu großer Motor neben den zusätzlichen Investitionskosten zu unnötigen Energieverbräuchen und damit höheren laufenden Kosten führt.

Regelung der Pumpe

Jede Pumpe ist optimal auf einen bestimmten Arbeitspunkt ausgelegt. Für diesen Punkt erfüllt sie eine Aufgabe, indem sie einen bestimmten Förderstrom gegen einen bestimmten Druck bereitstellt. An diesem Punkt erreicht sie ihren höchsten Wirkungsgrad. Oft werden aber an eine Pumpe in verschiedenen Betriebssituationen unterschiedliche Anforderungen gestellt. Eine Regelung kann helfen, eine Pumpe bei geänderten Systembedingungen in einen stabileren oder effizienteren Betriebszustand zurückzuführen.

Ein anderer Fall tritt ein, wenn aufgrund äußerer Bedingungen nicht mehr die volle Auslegungsleistung des Pumpensystems benötigt wird. Wenn die Pumpe dann noch mit der Auslegungsleistung weiter liefe, wäre das Gesamtsystem ineffizient, selbst wenn die Pumpe, für sich allein betrachtet, noch in einem effizienten Betriebspunkt arbeiten würde. In diesem Fall kann eine Regelung helfen, die Gesamtsystemeffizienz zu verbessern. Durch eine optimierte Regelung kann durchschnittlich 35 Prozent des Energieverbrauchs von Pumpensystemen eingespart werden.

Antriebskomponenten bei Pumpensystemen

Die direkten Schnittstellen des Motors zum Pumpensystem sind die Kupplung an der Motorwelle und der Anschluss an die Leistungselektronik bzw. direkt an das Stromnetz. Sowohl Kraftübertragung (Kupplung) als auch Leistungselektronik können genutzt werden, um die Pumpendrehzahl zu steuern. Es gibt verschiedene Möglichkeiten diese Schnittstellen zu realisieren.

Frequenzumrichter

Mit Frequenzumrichtern lässt sich die Drehzahl des Motors kontinuierlich ändern und so die Pumpenleistung steuern. Ein Frequenzumrichter wandelt die feste Netzspannung in eine in Frequenz und Spannungshöhe variable Motorspannung um.

Motoren für Pumpenantriebe

Der elektrische Wirkungsgrad eines Antriebs wird durch Energieverluste an verschiedenen Stellen bestimmt. So führt zum Beispiel der Widerstand in den Kupferdrähten zu einer Erwärmung der Motorwicklung.

Darüber hinaus entscheiden Art, Nennleistung und Belastung der Motoren über die Verluste von Elektromotoren im Dauerbetrieb. Mit steigender Nennleistung nehmen die relativen Verluste ab: Große Motoren haben wesentlich bessere Wirkungsgrade als kleine. Die Streuung der Wirkungsgrade von verschiedenen Motoren einer Leistungsklasse nimmt ebenfalls mit wachsender Leistung ab. Da die meisten Pumpenmotoren aber viele Stunden am Stück laufen, ist jeder Prozentpunkt Wirkungsgrad bares Geld wert.

Der Ratgeber Elektrische Motoren in Industrie und Gewerbe: Motorenarten gibt eine Übersicht über die wichtigsten Motorenarten und deren Antriebe.

Sicherheit, Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit

Neben den direkten Kosten des Pumpenbetriebs kann eine Pumpe auch indirekte Kosten verursachen, wenn sie die von ihr geforderte Funktion nicht erfüllen kann und dadurch Produktionsausfälle verursacht. Hinzu kommen bei einem Defekt die Kosten der Instandsetzung und mögliche Folgeschäden an anderen Anlagenteilen.

Aus diesem Grund sollten Aspekte der Sicherheit und Zuverlässigkeit, die einen Einfluss auf die Verfügbarkeit des Pumpensystems haben, im Auge behalten werden. Die Verfügbarkeit hängt in hohem Maß von der Zuverlässigkeit und Instandhaltung des Pumpensystems ab. Darüber hinaus haben die Qualifikation des Instandhaltungspersonals und die Häufigkeit der Wartung Einfluss auf die Verfügbarkeit.

Einbau und Betrieb

Durch den falschen Einbau einer Pumpe oder durch ungünstige Betriebsbedingungen können erhebliche Zusatzkosten im Betrieb entstehen. Dabei kann nicht nur der Einfluss auf den energetischen Wirkungsgrad gravierend sein, sondern auch der beschleunigte Verschleiß. Es ist daher eminent wichtig, die Hinweise zu Einbau und Betrieb in der Betriebsanleitung des Herstellers zu beachten.

Problematisch sind beispielsweise Betriebszustände, bei denen es zu einer Überhitzung des Förderguts, der mechanischen Überbelastung von Laufrädern, Lagern, Wellendichtungen und Ventilen oder zum Materialabtrag kommt. Während des Dauerbetriebs soll weder intensive Teillast-Rezirkulation noch Kavitation auftreten.

Des Weiteren hat die Gestaltung der Rohrleitung auf der Saugseite der Pumpe einen erheblichen Einfluss auf die Energiekosten und auf die Breite des möglichen Bereichs für einen Dauerbetrieb.

Wartung und Instandhaltung

Um Pumpen und Pumpensysteme in einem funktionsfähigen Zustand zu erhalten, bedarf es einiger technischer und administrativer Maßnahmen. Es lohnt sich, die Instandhaltung des Maschinenparks systematisch anzugehen und eine vorausschauende Instandhaltungsstrategie für das Unternehmen auszuarbeiten.

Während man unter Instandhaltung die Kombination aller Maßnahmen versteht, beschreiben die Begriffe Wartung, Inspektion, Instandsetzung und Verbesserung an sich voneinander abzugrenzende Arbeitsvorgänge.

Überwachung und Diagnose

Der Ausfall einer Prozesspumpe führt unmittelbar zu Produktionsausfall und verursacht damit Kosten, die den eigentlichen Schaden an der Pumpe um ein Vielfaches übersteigen. Viele Betriebsverantwortliche sind daher bemüht, sich anbahnende Schäden im Vorfeld zu erkennen und die Verschleißteile im Rahmen einer geplanten Instandsetzung auszutauschen. Auf diese Art und Weise kann nicht nur die Instandhaltung auf einen Zeitpunkt außerhalb der Hauptproduktionsschicht terminiert und dadurch der Produktionsausfall minimiert werden; es werden unter Umständen auch teure Folgeschäden an anderen Anlagenteilen oder an der betroffenen Pumpe vermieden.

Eine solche vorbeugende, zustandsorientierte Instandhaltung setzt eine systematische Überwachung der Pumpe voraus – entweder in ausreichend kurzen Zeitabständen oder sogar kontinuierlich. Mit der ständigen Verbesserung und den sinkenden Preisen von Sensoren und Datenverarbeitungssystemen wachsen die Möglichkeiten, verschiedene Betriebsgrößen umfassend zu beobachten. Bei einer ausreichenden Datenbasis ist über die reine Überwachung des ordnungsgemäßen Betriebs auch eine Diagnose von Fehlern und Schadensursachen möglich.

Messtechnik

Für den Betreiber bleibt das Manometer das preiswerteste und wichtigste Instrument um den Betrieb der Pumpe zu überwachen. Leider verzichten viele Betriebe auf Manometer. Fehlt ein Manometer im Pumpensystem, so wäre dessen Installation eine erste, relativ preiswerte Maßnahme, um überhaupt einen Hinweis über den Pumpenbetrieb zu erhalten.

Für die Durchflussmessung gibt es eine Vielfalt von Messgeräten, die sich in der Messmethode unterscheiden. Die Entscheidung, welches Messgerät verwendet werden kann, ist abhängig von den Eigenschaften des Förderguts und von den Einsatzbedingungen.

Geräte zur Schwingungsmessung erlauben neben der Bestimmung des Schwingungswertes der Pumpe auch eine Messung des Lagerzustandswertes. Mit einer Frequenzanalyse kann dann auch eine Diagnose erstellt werden, welche Störung vorliegt.