17Oktober2012

Der Druck auf ineffiziente Pumpen wächst. Das Einsparpotential systematisch nutzen.

Viel genutzt und selten beachtet: Pumpen sind das Herz einer jeden Anlage und die heimlichen Helden der Industrialisierung. Dabei sollten gerade Betreiber älterer Anlagen den Wirkungsgrad ihrer Aggregate genau kennen. Noch mehr zahlt es sich allerdings aus, den gesamten Prozess zu optimieren und die Anlage »energieintelligent« zu machen.

Von der Muskelkraft – zunächst des Menschen, später des Pferdes – zum Dampf und von dort aus zum Strom – seit jeher geht es darum, die gleiche Arbeit mit weniger Energie zu leisten. Und auch heute ist das Ende der Entwicklung beileibe nicht erreicht. Immer noch arbeiten Pumpen mit einem Wirkungsgrad von 20 Prozent und weniger in deutschen Anlagen – ökonomisch und ökologisch eine Katastrophe, da bis zu 86 Prozent möglich sind. Laut Schätzungen von Pumpenlieferanten sowie der Internationalen Energieagentur werden aktuell zwischen zehn und 20 Prozent des weltweit erzeugten Stroms von Pumpen verbraucht, ein Viertel davon in der Prozess- und Verfahrenstechnik. Allein in der deutschen chemischen Industrie wird die Gesamtzahl der Pumpen auf knapp eine halbe Million taxiert, davon über 80 Prozent Kreiselpumpen. Somit betreibt die deutsche Chemieindustrie ähnlich viele Pumpen, wie Sie Mitarbeiter beschäftigt.

Pumpenstillstand – Herzinfarkt für den Prozess

Vordringlichen Handlungsbedarf gibt es bei älteren Anlagen der Petrochemie. Vor  30 Jahren war die Auswahl an Aggregaten noch begrenzt, es gab nur wenige Baureihen mit überschaubaren Laufradoptionen und Hydrauliken (Gehäusen) zur Auswahl. Hinzu kam die Sorge der damaligen Verantwortlichen um eine Unterdimensionierung, bei der die notwendige Förderhöhe nicht erreicht wird und der Prozess zum Erliegen kommt – ein Pumpen- und somit Prozessstillstand ist ähnlich kritisch wie ein Herzinfarkt und entspricht einem GAU für jeden Anlagenbetreiber. So schlugen häufig die betroffenen Gewerke einen Sicherheitsfaktor auf die exakt errechneten Ergebnisse auf. In der Folge wurden viele Pumpen und Antriebe überdimensioniert und mit schlechtem Gesamtwirkungsgrad angeschafft. Zu den hohen Investitionsausgaben kamen hohe langfristige Folgekosten für Wartung und Betrieb hinzu.

Mittlerweile bieten alle Lieferanten flexible Baukastensysteme mit optimierter Hydraulik und optimiertem Laufrad an. Diverse Gehäusegrößen und beliebig anzupassende Laufraddurchmesser stehen zur Auswahl. Vielfältige verfahrenstechnische Prozesse fordern individuelle Lösungen, und mit dem Feintuning kann jeder Prozentpunkt Wirkungsgrad aus der Anlage gepresst werden. Angesichts der hohen Strompreise machen sich diese Investitionen schnell bezahlt. So lässt sich die permanente Energievernichtung in Form von Wärme und Widerstand bei alten Aggregaten mit einem niedrigen Wirkungsgrad einfach hochrechnen. Immerhin  20 bis 30 Prozent weniger Energieverbrauch seien möglich, sagt die Deutsche  Energie-Agentur (dena). So teilen sich beispielsweise die Kosten wasserführender Pumpensysteme über den gesamten Lebenszyklus wie folgt auf: acht Prozent  entfallen auf die Anschaffung, zehn Prozent auf Wartung und Instandhaltung,  die restlichen 82 Prozent auf den Energieverbrauch. Unternehmen, die hier nicht sparsam handeln, verschwenden bares Geld.

Verschärfte gesetzliche Regelungen

Maßgeschneiderte Lösungen sind gefragt. Manchmal kommt es innerhalb der Hydraulik zu einer verstärkten Materialabnutzung (Auswaschung), wenn beispielsweise aggressive Medien mit hohen Strömungsgeschwindigkeiten gefördert werden. Meistens müssen jedoch Pumpen aufgrund von steigenden Prozessanforderungen und/oder verschärften gesetzlichen Regelungen und Vorschriften (z. B. TA Luft oder ATEX) komplett ausgetauscht werden. Durch die rasante Materialentwicklung kommen inzwischen aber auch Schnellläufer zum Einsatz, die zunehmend die großen, langsam laufenden Dauerläufer ersetzen. Erstere sind deutlich kleiner, entsprechend günstiger in der Anschaffung, benötigen deutlich geringeren Einbauraum und besitzen in der Regel einen besseren Wirkungsgrad. Zunehmend werden auch schlüsselfertige Aggregate eingesetzt. Diese haben die Pumpe und den Antrieb fix und fertig montiert und oft sogar schon einen Frequenzumformer integriert. Die Ausrichtung der Kupplung ist somit nicht mehr erforderlich, und sowohl der mechanische Einbau als auch der elektrische  Anschluss werden dadurch erheblich vereinfacht.

Kennfelder statt Kennlinien

Der Einsatz eines Frequenzumformers zählt zu den wirksamsten Stellhebeln bei der Effizienzsteigerung und unterbindet, ebenso wie die damals eigens hierfür entwickelten Softstarter, die schädlichen Anfahrströme. Diese können bis zum Achtfachen des normalen Nennstroms ansteigen, was dazu führt, dass die Windungen der Motoren heiß werden, sogenannte »Hot Spots« entstehen und ein Bruch der Phase droht. Zudem geraten Sicherungen an ihre Grenzen, und Kabel sowie Querschnitte müssen größer dimensioniert werden.

Mittlerweile ist die Entwicklung der Frequenzumformer so weit fortgeschritten, dass sie markttauglich und kostengünstig sind und zunehmend den Softstarter ersetzen. Neben den reduzierten Anfahrströmen besteht der wesentliche Vorteil darin, die Drehzahl flexibel gestalten und statt einer Pumpenkurve ein komplettes Pumpenkennfeld, also das Verhältnis von Förderstrom zu Förderhöhe in Abhängigkeit der Drehzahl, abfahren zu können. Liegen die Betriebspunkte der Anlage völlig außerhalb des Arbeitsbereichs der Pumpe, hilft auch die Drehzahlregelung nicht mehr weiter. Für große Pumpen bieten in einem solchen Fall die Hersteller einen sogenannten »Retro-Fit« an, wobei das bestehende Laufrad durch ein neues mit einer besseren Charakteristik ausgetauscht wird.

Auf dem Weg zum intelligenten Gesamtsystem

Trotz der vielen Möglichkeiten wird leider immer noch das Drosseln einer Anlagenkennlinie durch eine Armatur wie Schieber oder Absperrklappe als kostengünstige Alternative zu Frequenzumformer und Retro-Fit angesehen. Die permanente Vernichtung von Energie wird dabei häufig unterschätzt und in Kauf genommen. Verglichen mit diesen mechanischen Regelungen wird die Durchflussmenge mit einem Frequenzumrichter wesentlich genauer und schneller gesteuert. Das spart nicht nur Energie und Kosten, sondern macht die Pumpe zudem reif für die direkte Interaktion. Sie fördert in der Folge nicht mehr am Bedarf vorbei, sondern wird ein »intelligenter« Teil des Gesamtsystems.

Beispielsweise kann eine Steuerungseinheit automatisch die Drehzahl bei bestimmten Prozessparametern vorgeben, so dass sich die Pumpe intelligent an den Prozess anpasst. In dieser Fähigkeit liegt auch das größte Potential bei der Energieeinsparung: Der umfassende Systemansatz bei der Optimierung soll »Energieintelligenz« in eine Anlage hineinbringen. Allerdings sind die Effizienzgewinne extrem abhängig von der bestehenden Anlage und ihrer Auslegung. Immerhin lässt sich der Einzelfall mehr oder weniger genau kalkulieren: Die Forschungsstelle »Energieeffizienz« berechnet exemplarisch und als Richtwert Investitionskosten für den Frequenzumrichter in Höhe von 100 bis 200 Euro pro kW Pumpenleistung. Hinzu kommen Installationskosten, die abhängig von den Rahmenbedingungen der Anlage sind. Das Einsparpotential bei einer Anpassung des Laufrades liegt je nach Reduzierung der Pumpen- und Motorleistung zwischen zehn und 40 Prozent.

Schlüsselfertige Lösungen gefragt

Die ganzheitliche Betrachtung ist umfangreicher, gilt jedoch als Königsweg: Selbst wenn alle Pumpen einer Anlage neu bewertet und modernisiert werden, ändert diese Optimierung nichts an der grundlegenden Qualität der Prozesse. Die Pumpen laufen dann vielleicht perfekt, aber in einem nicht verbesserten Rahmen. Und wer den Prozess nicht genau analysiert hat, wird kaum den exakten Bedarf formulieren können. Der Entwurf und die Überprüfung komplexer Kolonnen, Anlagenteile oder der Druckverlustberechnung entwickeln sich immer mehr zu einer Aufgabe von erfahrenen Engineering-Spezialisten, die schon mehrfach anspruchsvolle Fälle gelöst haben.

Hinzu kommt der Trend, dass immer mehr Anlagenbetreiber auf schlüsselfertige Lösungen angewiesen sind, weil sie kaum noch eigene Rotating-Kompetenz vorhalten können. Derartige Übergänge und der Veränderungsdruck durch rechtliche Vorgaben bieten daher immer die Chance, den Ist-Zustand einer kritischen Prüfung zu unterziehen und ihn dem aktuellen Soll anzunähern. Nutzen Sie hierfür die umfassende Erfahrung im Kompetenz-Team der plantIng – die Optimierung ineffizienter Anlagen spart Geld und hilft der Umwelt!

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