Bis zu 60% Der System Effizienz Service der KSB. Energy Efficiency by KSB Die Analyse des Systems. Übersicht Einsparpotenziale

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1 Pumpenauslegung unter Effizienzgesichtspunkten schwerpunktmäßig: - Analyse von Bestandssystemen / Hinweise - Aspekte zur Pumpenauslegung - Neue Normen & Trends in der Antriebsgestaltung von Kreiselpumpen - 2 Aspekte zur Regelung von Kältekreislaufpumpen die hydraulisch optimale & etaoptimale Regelung von Kreiselpumpen Energy Efficiency by KSB Die Analyse des Systems Übersicht Einsparpotenziale KSB System Effizienz Service KSB PumpMeter Automation und Antriebstechnik Martin Bartels Anlagenbegehungen 35 I S-E174/175 I Marti n Bartels I 2011 I Bis zu 60% System Bis zu 10% Modul Übersicht der möglichen Einsparpotenziale Der System Effizienz Service der KSB KSB-Berater betrachten immer das gesamte hydraulische System um die maximalen Einsparpotenziale zu heben. führt Anlagenbegehungen durch erstellt Analysen schlägt Maßnahmen zur Reduktion von Energie- und Instandhaltungskosten vor führt diese durch und überprüft durch Messung deren Erfolg Ca. 3,5% Komponente 36 I S-E174/175 I Marti n Bartels I 2011 I 37 I S-E174/175 I Marti n Bartels I 2011 I

2 38 I S-E174/175 I Marti n Bartels I 2011 I KSB PumpMeter KSB PumpMeter steigert durch mehr Transparenz die Verfügbarkeit und hilft Energiesparpotenziale aufzuzeigen. Messung Saugdruck Messung Enddruck Berechnung Differenzdruck Berechnung Betriebspunkt Vorortanzeige Analogausgang 39 I S-E174/175 I Marti n Bartels I 2011 I KSB PumpMeter KSB PumpMeter Messung Saugdruck Messung Enddruck Berechnung Differenzdruck Berechnung Betriebspunkt Vorortanzeige Analogausgang Intelligenter Druckaufnehmer Vor-Ort-Anzeige von Betriebsdaten der Pumpe werksseitig montiert auf individuelle Pumpe parametriert zeichnet das Lastprofil der Pumpe auf zeigt Optimierungspotenziale auf, zur Steigerung von Verfügbarkeit und Energieeffizienz EFF 40 I S-E174/175 I Marti n Bartels I 2011 I 41 I S-E174/175 I Marti n Bartels I 2011 I

3 42 I S-E174/175 I Marti n Bartels I 2011 I KSB PumpMeter Auslesen des Lastprofils PumpMeter bestimmt die Wellenleistung aus der Drehklangfrequenz des Asynchronmotors Drehzahl-Drehmoment-Abhängigkeit des Asynchronmotors M M N M Betriebspunktbestimmung aus 2 gemessenen Drücken Beispiel: n = 2957 min -1 n 0 = 3000 min -1 n N = 2940 min -1 M N = 35,7 Nm P N = 11 kw M = 26,0 Nm P = 8,0 kw n N n 0 n n 43 I S-E174/175 I Marti n Bartels I 2011 I Anlagenbegehungen einfache ABC Analysen durch Ihre KSB Berater Anlagenbegehungen einfache ABC Analyse durch Ihre KSB Berater Quantifizieren und Qualifizieren von energetischen Defiziten in Bestandsanlagen 1. Drosselverluste Quantifizieren und Qualifizieren von energetischen Defiziten in Bestandsanlagen 2. Druck Bypaß Regelungen 44 I S-E174/175 I Marti n Bartels I 2011 I 45 I S-E174/175 I Marti n Bartels I 2011 I

4 46 I S-E174/175 I Marti n Bartels I 2011 I Anlagenbegehungen einfache ABC Analyse durch Ihre KSB Berater Anlagenbegehungen einfache ABC Analyse durch Ihre KSB Berater Quantifizieren und Qualifizieren von energetischen Defiziten in Bestandsanlagen 3. Fehler im Anlagenaufbau beispielhaft: Druckanschlüsse Quantifizieren und Qualifizieren von energetischen Defiziten in Bestandsanlagen Zusätzliche Auswertemöglichkeit aus dem Pumpmeter 47 I S-E174/175 I Marti n Bartels I 2011 I Anlagenbegehungen einfache ABC Analyse durch Ihre KSB Berater Quantifizieren und Qualifizieren von energetischen Defiziten in Bestandsanlagen zusätzliche Auswertemöglichkeit aus dem Pumpmeter Energy Efficiency by KSB Die Auslegung Kriterien Ziel KSB EasySelect LCC-Rechner 48 I S-E174/175 I Marti n Bartels I 2011 I 67 I S-E174/175 I Marti n Bartels I 2011 I

5 68 I S-E174/175 I Marti n Bartels I 2011 I Auslegungskriterien Weitere Auslegungskriterien 3. System-Ebene (Anlagen-Ebene) Anlagen-Verfügbarkeit Energieeffizienz Verfahrenstechnische Aufgabenstellung Die Schnittstellen Netzanschluss Druckstufe Nennweite der Rohrleitungen 2. Modul-Ebene (Produkt-Ebene) Föderstrom Förderhöhe NPSH Medium Temperatur Bedingungen am Einsatzort Befehls- und Meldesignale IT-Schnittstelle Drehzahl Vorschriften, Regelwerke 1. Komponenten-Ebene Wirkungsgrade Lebensdauer Schwerpunkt 69 I S-E174/175 I Marti n Bartels I 2011 I Folgen von Kavitation Förderhöhe [%] Überhitzung Kavitation Laufradverschleiß Kürzere Lebensdauer Lager und GLRD Austauschwirbel Teillastwirbel Gut: -20%..+10% Ideal =-10%..+5% vom Optimum Lebensdauer [%] Kürzere Lebensdauer Lager und GLRD Die Auslegung Betrieb im Optimum spart Energie und erhöht die Lebensdauer Kennlinie Typischer Wirkungsgradverlauf Normal: -30%..+15% Kavitation 10 Förderstrom [%] Quelle: nach Judy Hodgson (Du Pont): Predicting Maintenance Costs Accurately, Pumps & Systems, April I S-E174/175 I Marti n Bartels I 2011 I 71 I S-E174/175 I Marti n Bartels I 2011 I

6 72 I S-E174/175 I Marti n Bartels I 2011 I Überdimensionierung und Teillastbetrieb Nur wenige Pumpen werden im Optimum betrieben Förderhöhe Häufigster Betriebspunkt Realer Vollastpunkt Nenn-Förderhöhe Auslegungspunkt (mit Reserve) Betriebsstunden in h geringerer Bedarf Nenn-Förderstrom Förderstrom Fördergrad Pumpennummer Quelle: Forschungsprojekt ReMain, 65 Pumpen, I S-E174/175 I Marti n Bartels I 2011 I Auslegung KSB EasySelect für Pumpen und Armaturen Nutzerfreundliches Tool mit intuitiver Schritt-für-Schritt- Bedienung Anwendungsorientierte Auslegung nach Kunden- Vorgaben Hocheffiziente Hydraulik Wirkungsgrad von Pumpen Der Pumpenwirkungsgrad ist u.a. abhängig von: Konstruktion von Gehäuse, Laufrad und Lagerung Werkstoffen, Oberflächenbeschaffenheit Dimensionen, Hauptabmessungen und Drehzahl Medium 74 I S-E174/175 I Marti n Bartels I 2011 I 85 I S-E174/175 I Marti n Bartels I 2011 I

7 86 I S-E174/175 I Marti n Bartels I 2011 I Hocheffiziente Hydraulik Standard bei KSB Exakt angepasste Laufräder Einsparpotenzial durch das Abdrehen von Laufrädern Das Abdrehen des Laufrads verringert den Wellenleistungsbedarf und damit manchmal sogar die Motorbaugröße kw kw ,5 kw 142 5,5 kw kw kw 2,2 kw 1,5 kw m 3 /h Beispiel: Etaline I S-E174/175 I Marti n Bartels I 2011 I KSB liefert die Pumpe auf den Punkt Abgedrehte Laufräder sparen im Durchschnitt 10% Leistung Motor 45 kw Laufrad 46 kw Motor 55 kw Laufrad 55 kw Motor 55 kw Laufrad 46 kw 60 Leistung [kw] 37 kw 30 kw 30 kw = 23 % 55 kw 45 kw 45 kw = 22 % 60 Baugröße Leistung [kw] kw x h x 0,09 / kwh = pro Jahr 20 Zwischen 0 und 22 % Wirkungsgradgewinn im Durchschnitt mehr als 10% Laufraddurchmesser [mm] Laufraddurchmesser [mm] Baugröße I S-E174/175 I Marti n Bartels I 2011 I 91 I S-E174/175 I Marti n Bartels I 2011 I

8 95 I S-E174/175 I Marti n Bartels I 2011 I Energy Efficiency by KSB Die hocheffizienten Antriebe Neue Normen IE2-Motoren im Standard IE3-Asynchronmotoren Hocheffiziente Tauchmotorpumpen KSB-SuPremE Motoren Wirkungsgrad von Motoren Der Motorwirkungsgrad ist u.a. abhängig von: Baugröße und Bauart Güte und Menge der aktiven Materialien Läuferausführung und Luftspalt Gesamtkonzeption Neben den Asynchronmotoren kommt neuen Antriebskonzepten zunehmend Bedeutung zu. 96 I S-E174/175 I Marti n Bartels I 2011 I Wirkungsgrade 2-polige Maschinen Effizienzklassen von Elektromotoren bis und 4-polige IEC- Normmotoren in der Leistung von 1,1kW bis 90kW werden nach ihrem Wirkungsgrad in Effizienzklassen eingeteilt. EFF1: Hocheffiziente Motoren EFF2: Wirkungsgradverbesserte Motoren EFF3: heute bedeutungslos Wirkungsgrad in % Wirkungsgrad in % 100,0 95,0 90,0 IE2-2 polig IE3-2 polig 85,0 IE4** - 2 polig 80,0 0,8 1,1 1,5 2,2 3,0 4,0 5,5 7,5 11,0 15,0 18,5 22,0 30,0 37,0 45,0 55,0 75,0 90,0 Wirkungsgrade 4-polige Maschinen 100,0 95,0 90,0 IE2-4 polig IE3-4 polig 85,0 IE4** - 4 polig 80,0 0,8 1,1 1,5 2,2 3,0 4,0 5,5 7,5 11,0 15,0 18,5 22,0 30,0 37,0 45,0 55,0 75,0 90,0 110,0 110,0 Neue Definitionen von Mindestwirkungsgraden für Elektromotoren (IE1 gem. IEC ) IE2 gem. IEC IE3 gem. IEC **IE4 gem. IEC/TS Ed. 1, Quelle: Siemens Katalog D /2 (nach CEMEP) 97 I S-E174/175 I Marti n Bartels I 2011 I Nennleistung in kw 98 I S-E174/175 I Marti n Bartels I 2011 I

9 99 I S-E174/175 I Marti n Bartels I 2011 I EG 640/2009 (EuP-Richtlinie) Ab Juni 2011 ab 0,75 kw Mindestens IE2 Ab Jan 2015 ab 7,5 kw: Mindestens IE3 oder IE2 + Drehzahlregelung Ab Jan 2017 ab 0,75 kw: Mindestens IE3 oder IE2 + Drehzahlregelung Kanada / OEE IE2 seit ca USA / NEMA IE2 seit ca IE3 seit 2011 Mexiko IE2 seit ca Chile / SEC IE2 seit 2010 Brasilien / Inmetro IE2 seit 2010 Europa / EG640 IE2 ab Juni 2011 IE3 ab 2015/2017 Schweiz / BFE IE2 seit ca Südafrika / SABS IE2 in Vorbereitung China / CNIS IE2 seit 2011 Korea / MKE IE2 seit 2008/2010 Australien / ER IE2 seit 2006 IE3 in Vorbereitung Internationale Richtlinien Quelle: 100 I S-E174/175 S-E11 I Daniel I Marti Gontermann n Bartels I 2011 I KSB SuPremE-Motor KSB SuPremE-Motor Synchron-Reluktanzmotor Rotor mit Flusssperrenschnitt Magnetfrei Materialverfügbarkeit Ressourcenschonend entspricht IE4 gem. IEC/TS Ed. 1, Synchron-Reluktanzmotor Rotor mit Flusssperrenschnitt Magnetfrei Materialverfügbarkeit Ressourcenschonend entspricht IE4 gem. IEC/TS Ed. 1, I S-E174/175 I Marti n Bartels I 2011 I 105 I S-E174/175 I Marti n Bartels I 2011 I

10 106 I S-E174/175 I Marti n Bartels I 2011 I 15% weniger Verluste gegenüber IE3 sind machbar! Entwurf Hoch-Eff.-Motor * Wirkungsgradkennfeld Asynchronmotor IE3 Der Wirkungsgrad ist bei voller Drehzahl bis zu einer Belastung von 50% nahezu konstant Unter 50% Belastung sinkt er stark ab Bei Drehzahlabsenkung entlang des für Pumpen typischen Drehmomentbedarfs ebenso *Quelle: Fa. REEL 107 I S-E174/175 I Marti n Bartels I 2011 I Wirkungsgradkennfeld KSB SuPremE-Motor KSB SuPremE-Motor Der Wirkungsgrad ist bei Drehzahlveränderung und verändertem Drehmomentbedarf deutlich stabiler Asynchronmotor IE3 KSB SuPremE-Motor Der Vorteil von Synchronmotortechnik liegt vor allem Teillastbereich Dort wo fast alle Pumpen betrieben werden Wirkungsgradkennfelder 108 I S-E174/175 I Marti n Bartels I 2011 I 109 I S-E174/175 I Marti n Bartels I 2011 I

11 110 I S-E174/175 I Marti n Bartels I 2011 I Zeitanteil % Variablen Energiekosten in Euro/kWh 0,13 Betriebsdauer in h KSB SuPremE-Motor SuPremE-Motor Der Vorteil von Synchronmotortechnik liegt vor allem Teillastbereich Zur Hannovermesse 2011: Designvariante ohne Lüfter Volumenstrom % Arbeitspunkte Motor Dort wo fast alle Pumpen betrieben werden Kostenrechnung AP1 Kosten AP2 Kosten Kosten AP3 Kosten AP4 Gesamt 729, ,24 723,21 378, ,68 Kosten SuPremE Kosten ASM IE3 891, ,68 735,34 381, ,23 Einsparung 161,68 36,44 12,12 3,30 213,54 Einsparung: 7% gegenüber IE3-Asynchronmotor 111 I S-E174/175 I Marti n Bartels I 2011 I Beispiel 3 Variable hydraulische Last Betriebsdauer [h] t Ges = 4000 h/a z.b. bei Regelventilen η= 94,4 % Zum Vergleich: Min η Eff1 = 91,2 % Min η IE3 = 92,6 % 0 Q Min Q Max Drehzahlregelung Förderstrom [m³/h] 112 I S-E174/175 I Marti n Bartels I 2011 I 154 I S-E174/175 I Marti n Bartels I 2011 I

12 158 I S-E174/175 I Marti n Bartels I 2011 I Fortsetzung Beispiel 3 Etaline GN /2204 G11 PDB Beispiel 3 Etaline GN /2204 G11 PDB Betrieb im Optimum beim häufigsten Betriebspunkt! 159 I S-E174/175 I Marti n Bartels I 2011 I Beispiel 3 Variable hydraulische Last Formeln zum Berechnen der Stromkosten Betriebsdauer [h] Einteilung in z.b. 3 Bereiche t Ges = h/a Motoreingangsleistung = Motorwellenleistung / Motorwirkungsgrad Stromkosten pro Jahr = Motoreingangsleistung x Betriebsstunden x Energiepreis je kwh 0 Q Min Q Max Förderstrom [m³/h] 160 I S-E174/175 I Marti n Bartels I 2011 I 161 I S-E174/175 I Marti n Bartels I 2011 I

13 162 I S-E174/175 I Marti n Bartels I 2011 I Beispiel 3 Energiekosten p.a. bei variabler Drehzahl Betriebsdauer [h] Weitere Energieensparung Die DFS-Funktion (FU-integrierte Regelfunktionen) Teil 1 Rohrleitungsverluste = f(l, Q) t Ges = h/a Sollwert 4bar M p 4bar 0 Q Min Q Max kwh / 0,86 / 0,97 = ,70 Förderstrom [m³/h] 1.000h x 18,73kW = kwh 2.000h x 15,68kW = kwh 1.000h x 12,97kW = kwh 163 I S-E174/175 I Marti n Bartels I 2011 I Die DFS-Funktion Die DFS-Funktion Teil 2 Rohrleitungsverluste = f(l, Q) Teil 3 Rohrleitungsverluste = f(l, Q) 0,5bar Sollwert 4bar 5bar Sollwert 4bar DFS Interner Sollwert 5 bar p M 3bar p M Sollwert 4 bar 4bar Q 164 I S-E174/175 I Marti n Bartels I 2011 I 0,5bar DFS = Druckregelung mit förderstromabhängiger Sollwertnachführung 165 I S-E174/175 I Marti n Bartels I 2011 I

14 166 I S-E174/175 I Marti n Bartels I 2011 I Kompensation förderstromabhängiger Rohrreibungsverluste Kompensation förderstromabhängiger Rohrreibungsverluste DFS Regelkennlinie 167 I S-E174/175 I Marti n Bartels I 2011 I Beispiel 3 Energiekosten p.a. bei variabler Drehzahl und DFS Beispiel 3 Zum Vergleich / Energiekosten p.a bei Festdrehzahl 1465 /Min. Betriebsdauer [h] t Ges = h/a 0 Q Min Q Max Förderstrom [m³/h] kwh / 0,86 / 0,97 = , h x 18,73kW = kwh 2.000h x 11,47kW = kwh 1.000h x 5,77kW = kwh 168 I S-E174/175 I Marti n Bartels I 2011 I 1.000h x 15,53kW = kwh kwh / 0, h x 17,10kW = kwh = kwh 1.000h x 18,30kW = , I S-E174/175 I Marti n Bartels I 2011 I

15 170 I S-E174/175 I Marti n Bartels I 2011 I Beispiel 3 Etaline GN /2204 G11 PDB Die Drehzahlregelung mit DFS-Funktion spart 2223 Energiekosten pro Jahr 20m³ / 35m 2,6 kw 3 kw-motor Auslegung LCC-Rechner 6000 h/a: kwh/a 77 I S-E174/175 I Marti n Bartels I 2011 I kwh/a 5400 kwh/a Auslegung LCC-Rechner Einspar-Schieber Kennfeldüberwachung & Leistungsabh. Zu- und Abschaltung H [m] Qmin B Qopt Zul. Bereich D A n min C Qmax n max Q 14 Cent/kWh: 700 Mehrpreis Drehzahlgeregelte Pumpe: Ca. 800 P [kw] D n max B n min A C Q [m³/h] Arbeitspunkt, beispielhaft 78 I S-E174/175 I Marti n Bartels I 2011 I 177 I S-E174/175 I Marti n Bartels I 2011 I

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