Lebenszykluskosten von Abwassersystemen - und wie sie minimiert werden können

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1 Grundfos Wasser Journal Lebenszykluskosten von Abwassersystemen - und wie sie minimiert werden können Warum sich mit dem Thema Lebenszykluskosten beschäftigen? Warum sollten ie sich mit dem Thema Lebenszykluskosten auseinander setzen? Ganz einfach, wenn ie wirklich an einer Reduzierung des Energieverbrauchs interessiert sind, ist das der beste Einstieg: Fast 20 % des weltweiten tromverbrauchs entfallen auf Pumpensysteme. Und nicht weniger als 30 % bis 50 % der von Pumpen verbrauchten Energie könnten eingespart werden! Ausführliche Informationen hierzu erhalten ie auf der Internetseite von Grundfos, über das Energieprojekt (www. energyproject.com) - eine von uns ins Leben gerufene Initiative zum Energiesparen - oder sprechen ie uns einfach direkt an. Pumpensysteme Andere Verbraucher Thames Water: Der Energieverbrauch ist für 85 % der Gesamtkosten verantwortlich Wenn wir mehr ins Detail gehen: Wie sehen die Kennzahlen für die Abwasserförderung tatsächlich aus? Die Einsparmöglichkeiten sind genauso groß wie bei anderen Anwendungen. Und nicht nur Grundfos äußert sich in diesem inne. Das Unternehmen Thames Water z.b. führte im Rahmen einer tudie eine unabhängige Untersuchung durch, um die tatsächlichen Kosten für den Betrieb Ihrer Pumpensysteme über die gesamte Lebensdauer zu ermitteln. Die dabei zu Tage getretenen Ergebnisse sind auf der rechten eite dargestellt. Anschaffungskosten 5% Wartungskosten 10% Energiekosten 85% Die Entscheidung für mehr Effizienz trägt sich von selbst Aus den Untersuchungsergebnissen von Thames Water können folgende einfache chlussfolgerungen abgeleitet werden: Das Geld optimal einzusetzen bedeutet, auf die Gesamtkosten über die gesamte Nutzungsdauer zu achten nicht nur auf die Anschaffungskosten der Pumpenausrüstung. Wie aus dem Diagramm ersichtlich zahlt sich die Entscheidung, eine effizientere Pumpe anzuschaffen, schnell aus und wirft danach echten Gewinn ab. Lebenszykluskosten inweis zur Abbildung: marttrim ist eine von Grundfos entwickelte und patentierte Technologie zum Nachstellen des Laufradspalts weitere Details hierzu finden ie in dem Abschnitt über den Laufradspalt und seinen Einfluss auf die Gesamtkosten. Wartung- und Betriebskosten Wartung- und Betriebskosten Kostengünstige Pumpe mit schlechtem Wirkungsgrad Pumpe mit hohem Wirkungsgrad und marttrim Deckungsbeitrag Beschaffungskosten Amortisationszeit Zeit

2 Wie können ie die langfristigen Kosten erheblich senken? Einfach ausgedrückt verfolgt die LCC-Analyse das Ziel, den Energieverbrauch und die Wartungs- und ervicekosten zu senken. Deshalb zahlt sie sich auf lange icht aus. Aber wie können ie dieses Ziel erreichen? Das auptanliegen dieses Beitrags ist: den Einfluss von Pumpeneffizienz und Wartung auf die Lebenszykluskosten aufzuzeigen. einen konkreten Nachweis zu erbringen, wie durch Grundfos Abwasserpumpen die gesamten Betriebskosten gesenkt werden können. die Berechnungsgrundlagen vorzustellen, mit denen ie Ihre LCC-Analyse selbst durch führen können. Die einzelnen Faktoren der Lebenszykluskosten Zur Ermittlung der Lebenszykluskosten sind die nachfolgend aufgeführten Faktoren, die während der gesamten Nutzungsdauer anfallen, zu berücksichtigen. Viele lassen bei der Betrachtung einige Faktoren bewusst weg oder vergessen einfach einige Faktoren. Aber der Aufwand lohnt sich, jeden einzelnen Faktor bei der Ermittlung der Lebenszykluskosten mit einzubeziehen. Zudem sollten alle Faktoren sorgfältig erfasst und nicht nur grob abgeschätzt werden. Die einzelnen Faktoren sind: Cic Cin Ce Co Cm Cs Cenv Cd = Anschaffungskosten, Kaufpreis = Einbau bzw. Aufstellung und Inbetriebnahme = Energiekosten = Betriebskosten = Wartungskosten = Kosten für Ausfallzeiten = Umweltkosten = Kosten für die Außerbetrieb nahme und Entsorgung Planungs- und Gestaltungsphase Welche meiner ausgearbeiteten Investitions varianten ist die beste? oll ich die alten Pumpen durch neue ersetzen? Und welche Pumpen sind für den Austausch zu bevorzugen? Welche Pumpen eignen sich am besten für mein Anlagen-Layout? Welches ist für den vorliegenden Anwendungsfall der beste Anlagenentwurf? Beschaffungsphase Welches ist das beste Angebot auf Ihre Ausschreibung bzw. Anfrage? Der Betrachtungszeitraum beträgt normalerweise 10 Jahre. Behandelte Themen Es gibt viele Punkte zu beachten, wenn ie Ihre Lebenszykluskosten senken wollen. o gehen wir in diesem Beitrag auf folgende Aspekte näher ein: Wann sollten ie eine LCC-Analyse durchführen? Es gibt zwei klar definierte Zeitpunkte, wo eine Analyse der Lebenszykluskosten betriebswirtschaftlich inn macht: wenn ie eine Anlage planen/entwerfen und wenn die Pumpen für den Einbau beschafft werden sollen. Die Kenntnis über die genauen Lebenszykluskosten der unterschiedlichen Alternativen hilft Ihnen dann, z.b. die nachfolgenden Fragen zu beantworten. Gestaltung des Pumpensystems Pumpengröße und Anschaffungspreis Kostenverteilung pezifischer Energieverbrauch Abnahme der Pumpeneffizienz Leckverluste Analyse der Lebenszykluskosten einer Pumpe Auswirkungen eines allmählich zunehmen den Laufradspalts Aktueller LCC-Wert Min. 200 mm Min. 100 mm Min. F + F mm Min. 200 mm Min. 200 mm X 2 X 3 X 1 L x) F 1 A 60 o F

3 Mögliche Fallen bei der LCC-Analyse Die LCC-Analyse ist eine hervorragende Möglichkeit die Angebote der Pumpenlieferanten miteinander zu vergleichen, um so Ihre Kunden optimal bedienen zu können. ie lenkt den Blick auf die Gesamtkosten und nicht nur auf den Anschaffungspreis. Kosten 200 Price/P N Anschaffungspreis (%) PN (%) 100 Dennoch ist es sehr wichtig, die Kosten genau zu ermitteln. Denn wenn die zur Berechnung angesetzten Kosten für Energie und Wartung nur auf groben chätzungen beruhen, birgt das Ergebnis der LCC-Analyse gewisse Unsicherheiten. Deshalb sollten ie bei der Ermittlung der einzelnen Kostenfaktoren sehr sorgfältig vorgehen! Nachdem wir diesen wichtigen achverhalt, der das Ergebnis der LCC-Analyse stark beeinflusst, angesprochen haben, wollen wir uns nun konkret der Planungs- und Gestaltungsphase zuwenden und aufführen, welche Faktoren hier beachtet werden müssen. Gestaltung des Pumpensystems Wenn ie ein Pumpensystem entwerfen, hängen die Anschaffungskosten für die Pumpenausrüstung und die Betriebskosten direkt von der Größe der auptsteigleitung ab. Eine Reduzierung des Durchmessers der auptsteigleitung bedeutet geringere Beschaffungskosten für die Rohrleitungen höhrere Investitionen für die Pumpenausrüstung höhere Energiekosten Die Größe der auptsteigleitung wird auf Basis folgender Faktoren ausgewählt: Wirtschaftlichkeit Erforderlicher Innendurchmesser für die Funktion der gesamten Anlage Erforderlicher Mindestförderstrom trömungsgeschwindigkeit in der gesamten Anlage Rohrleitungsquerschnitt trömungsgeschwindigkeit 1. Beschaffungskosten für die auptsteigleitung 2. Beschaffungskosten für die Pumpstation 3. Energiekosten 4. Gesamtkosten Gestaltung des Pumpensystems Wie soll nun aber meine Abwasseranlage ausgeführt werden? Der optimale Durchmesser der auptsteigleitung hängt davon ab, ob die Pumpstation im Dauerbetrieb oder nur zeitweise betrieben wird. Pumpstationen, die nur wenige Betriebsstunden pro Jahr laufen, können an kleinere auptsteigleitungen angeschlossen werden. Die damit verbundenen höheren Reibungsverluste können vernachlässigt werden. Zur Überwindung der höheren Reibungsverluste, muss zwar mehr Energie aufgewendet werden aber wegen der geringen Betriebsdauer ist der Einfluss der höheren Energiekosten auf die Gesamtkosten als gering anzusehen. Für Pumpstationen, die pro Jahr viel tunden laufen, sind auptsteigleitungen mit größeren Querschnitten vorzusehen. Dadurch werden die Reibungsverluste reduziert und damit auch die pro tunde für den Pumpenbetrieb aufzuwendende Energie. Zeitweiser Betrieb < Die tatsächlichen Kosten kleiner Pumpstationen Wie aus der Abbildung ersichtlich bilden bei kleineren Pumpstationen die Wartungskosten den größten Anteil an den Gesamtkosten, dicht gefolgt von den Energiekosten. 43% 40% 16% 1% Wartungskosten Energiekosten Anschaffungspreis Umweltkosten Die tatsächlichen Kosten großer Pumpstationen Diese Erkenntnis steht im Gegensatz zu den großen Pumpstationen, wo sich die Grundfoseigenen Untersuchungen mit der tudie von Thames Water decken. 10% 84% 5% 1% 500 P N (kw) Wartungskosten Energiekosten Anschaffungskosten Umweltkosten Dauerbetrieb Energieverbrauch kontra Wartung Bei kleineren Abwasserpumpen (10 kw oder kleiner) ist der Energieverbrauch nicht zwangsläufig der wichtigste Punkt, auf den sie achten sollten. Die Anzahl der Betriebsstunden pro Jahr ist häufig relativ gering. Im Gegensatz dazu erscheint der Anschaffungspreis für effiziente Pumpen hoch. Deshalb sollten ie in diesem Fall vor allem auf die Wartungskosten achten, die für die verschiedenen Pumpenfabrikate und typen anfallen.

4 chlussfolgerungen Zusammenfassend kann somit festgestellt werden, dass während der Planungs- und Gestaltungsphase nachfolgend aufgeführte Punkte zu beachten sind. Bei großen Pumpstationen hat die Pumpeneffizienz sehr viel größere Auswirkungen auf die Kosten als der Anschaffungspreis dies sollten ie berücksichtigen, wenn ie langfristig Geld sparen wollen. Bei kleinen Pumpstationen und/oder nur zeitweisem Einsatz ist ein zuverlässiger, störungsfreier Betrieb wichtiger als die Energieeffizienz. ier stehen die Wartungskosten im Vordergrund. Wir wollen nun auf bestimmte Punkte näher eingehen und danach einige Berechnungen durchführen. Tappen ie nicht in eine der vielen Berechnungsfallen ehr häufig beruht die Berechnung der Energiekosten auf groben Abschätzungen des Energieverbrauchs. Dadurch werden die Ergebnisse der LCC-Analyse ungenau. ier sind nun einige Punkte aufgeführt, wie ie die häufigsten Fallen bei der Berechnung umgehen können: Berechnung der erforderlichen spezifischen Energie Der spezifische Energieverbrauch ist eine Funktion des Förderstroms. Pgr ist dabei die von dem Pumpensystem aus dem Netz aufgenommene Leistung. Die Dichte r beträgt 1000 kg/m³. The density r 1000 kg/m 3 Berechnung der erforderlichen spezifischen Energie Förderstrom: 1000 l/s Förderhöhe: 11,8 m Gesamtwirkungsgrad: 76 % Leistungsaufnahme: 152 kw Dabei ist µ= 0,6 ein trömungskoeffizient g = 9.81 m/s 2 D = mm t = mm = m erkömmliche Pumpen mit Metall-auf- Metall-Abdichtung Leckagestrom Q Gehen ie niemals von einer gleich bleiben den Pumpeneffizienz aus berücksichtigen ie den Einfluss möglicher Lufteinschlüsse. Dies wird häufig übersehen. Vergessen ie nicht, dass auch Verschleiß Auswirkungen auf die Pumpeneffizienz hat berücksichtigen ie bei der Ermittlung der Pumpeneffizienz die Prüfstandards Führen ie die Berechung nicht nur für den Einpumpenbetrieb bei festem Betriebspunkt durch auch der Einfluss eines Parallelbetriebs und variierenden Betriebspunkten sollte in die Betrachtung einfließen Der spezifische Energieverbrauch: Die Kosten für den Transport von Wasser Kommen wir nun zur Berechnung. Eine hilfreiche Kennzahl ist hier die erforderliche spezifische Energie Ihrer Anlage. Das dahinter stehende Prinzip ist einfach: Ein Pumpensystem dient dazu, eine bestimmte Abwassermenge von A nach B zu transportieren. Der spezifische Energieverbrauch gibt Auskunft darüber, wie viel Energie angegeben in Watt - für den Transport eines m³ Abwassers benötigt wird. Leckverluste Ein anderer wichtiger Aspekt, der häufig übersehen wird, sind die Leckverluste, die normalerweise zwischen dem Druckflansch der Pumpe und dem automatischen Kupplungssystem auftreten. Diese Leckverluste sind besonders hoch, wenn die Abdichtung zwischen Kupplung und Druckflansch, wie bei herkömmlichen Pumpen üblich, über Metalldichtungen erfolgt. Die Leckagefläche wird wie folgt berechnet: Für die Berechnung des Leckagestroms gilt folgende Gleichung: erkömmliche Pumpen mit Metall-auf- Metall-Abdichtung Leckagestrom Q Abnahme der Pumpeneffizienz Diese Leckverluste führen zu einer Abnahme der Pumpeneffizienz. Druckflansch der Pumpe: DN350 Flansch der automatischen Kupplung: DN350 Leckagespalt: 3 mm Förderhöhe: 45 m erkömmliche Pumpen mit Metall-auf- Metall-Abdichtung Leckagestrom Q Aufgewendete Energie Gefördertes Volumen pezifischer Energieverbrauch Leckverluste bei metallischer Abdichtung Nach Einsetzen der Leckagefläche in die obere Gleichung ergibt sich der Leckagestrom zu:

5 Leckverluste vermeiden mit marteal Grundfos hat eine Lösung gefunden, um derartige Leckverluste zu vermeiden: Eine profilierte Gummidichtung zwischen dem Druckflansch der Pumpe und dem Flansch der Autokupplung verhindert das Auftreten von Leckagen an dieser telle. Automatische Kupplung mit Flanschen von DN65 DN500 Andere Ursachen für Leckverluste Leckagen verringern die Pumpeneffizienz. ie können aus verschiedenen Gründen auftreten: Interne Leckverluste können das Ergebnis von Differenzdrücken entlang des Laufrad spaltes sein. Abrasive Bestandteile, wie and und Kies, im Abwasser und Regenwasser können zu Verschleiß im Laufradbereich führen und den Laufradspalt vergrößern. s = 1 mm Q 100 Leckagen treten allgemein auch im Bereich des Druckanschlusses auf Die Erfahrung zeigt, dass die Pumpeneffizienz in Abwasseranwendungen um 1-3 % pro Jahr abnimmt Zusammenhang zwischen dem Laufradspalt und einer abnehmenden Pumpeneffizienz Die Ursache für eine Abnahme der Pumpeneffizienz kann in einer allmählichen Zunahme des Laufradspalts liegen. Das Beispiel im Diagramm zeigt eine 200 kw- Pumpe mit einem Zweikanallaufrad und die Auswirkungen eines. Bei Auslieferung beträgt der Laufradspalt 1 mm, der sich dann jedoch mit der Laufzeit verändert. Aber mit zunehmendem Laufradspalt sinkt auch die Pumpeneffizienz. Dieses Diagramm zeigt die Veränderung der Förderleistung und Effizienz in Abhängigkeit des Laufradspalts. Angegeben sind die Kurven für einen Laufradspalt von 3 mm und 6 mm Abnahme der Effizienz ist abhängig vom Pumpentyp Bei Abwasserpumpen, die längere Zeit im Betrieb sind, ist die Effizienz geringer als bei neuen Pumpen. Ein nachjustierbarer Laufradspalt kann helfen, hier gegenzusteuern. Die durchschnittliche Abnahme der Effizienz für die unterschiedlichen Laufradtypen kann wie folgt angegeben werden: alboffenes Laufrad ohne nachjustierbarem Laufradspalt: - 5 % alboffenes Laufrad mit nachjustierbarem Laufradspalt: - 3 % Geschlossenes Laufrad ohne nachjustierbarem augspalt: - 3 % (Radialspalt) Geschlossenes Laufrad mit nachjustierbarem augspalt: - 1,5 % (Axialspalt) 0 emi-open Closed; radial clearance Closed; axial clearance

6 Die Pumpeneffizienz wiederherstellen Dank der marttrim-technologie kann bei Grundfos Pumpen die ursprüngliche Effizienz, die die Pumpen direkt nach Auslieferung besitzen, auch nach längerer Laufzeit vollständig wieder hergestellt werden. Grundfos marttrim marttrim ist eine patentierte Grundfos-Technologie zum Nachstellen des Laufradspalts, ohne dass die Pumpe ausgebaut und zerlegt werden muss, wie bei herkömmlichen Abwasserpumpen. o bietet marttrim einen sehr viel einfacheren und schnelleren Weg die volle Effizienz wiederherzustellen. Nachfolgend finden ie einige Gleichungen, mit denen ie den Einfluss des Laufradspalts auf die Pumpeneffizienz berechnen können. Der Druck außerhalb des Laufradspalts ist ungefähr halb so groß wie die Förderhöhe der Pumpe (/2). Der trömungskoeffizient für den Laufradspalt ist ca. 0,6. Damit lässt sich der Leckagestrom wie folgt berechnen: Der relative Wert für die Abnahme der Effizienz ist: Veränderung des Laufradspalts durch Verschleiß Durch Verschleiß und Abrieb vergrößert sich der Laufradspalt. Dies wiederum führt zu einer Abnahme der Pumpeneffizienz. Wenn die Werkseinstellung durch Nachjustieren des Laufradspaltes nicht wieder hergestellt wird, nimmt die Effizienz wie in der nachfolgenden Abbildung dargestellt ab. Abnahme der Pumpeneffizienz in % Werkseitig eingestellter Laufradspalt Der Durchmesser am Laufradeingang ist Im Bereich des Wirkungsgradbestpunkts beträgt die trömungsgeschwindigkeit 4,5 m/s. Die Fläche des augspalts ergibt sich zu Jahre Q

7 Förderstrom: 1800 l/s Förderhöhe: 20 m Laufradspalt: 2 mm Aktueller LCC-Wert Aktueller LCC-Wert = Anschaffungspreis + PV (aktuelle Bewertung) von: Energiekosten Routinemäßiger Wartung Routinemäßigem Verschleißteileaustausch Planmäßiger erviceüberholung Ersatzteilen für erviceüberholung PV= Kosten pro Jahr / [1+(Zinssatz Inflationsrate) ]1-n - eine Definition ist auf den folgenden eiten angegeben. Nimmt der Laufradspalt zu, muss durch einen Abschwächungsfaktor korrigiert werden. In diesem Beispiel führt die Zunahme des Laufradspalts zu einer Abnahme der Effizienz um 11 %. Definition: Routinemäßige Wartung Im inblick auf die Berechnungen umfasst die Routinemäßige Wartung folgende Tätigkeiten: 1. Jährliche Überprüfung und Nachjustieren des Laufradspalts Ein Nachstellen des Laufradspaltes wird bei Pumpen empfohlen, deren Laufradspalt größer 2 mm ist und die über eine Nachstellmöglichkeit verfügen. Der Leckagestrom nimmt zu und damit auch die Wirbelgeschwindigkeit zwischen dem Pumpengehäuse und dem Laufrad. Dadurch sinkt der Druck außerhalb des augspalts. Messungen in der Praxis zeigen, dass dieser Faktor ungefähr doppelt so groß ist, wie der Druckabfall. Damit lässt sich durch folgenden Ausdruck ersetzen: Die obere Gleichung ergibt sich dann zu Aktueller LCC-Wert Eine weitere wichtige Gleichung, die zur Minimierung der Lebenszykluskosten genutzt werden kann, gibt Aufschluss über den aktuellen LCC-Wert. Denn es kann sehr hilfreich sein, eine Vorstellung darüber zu bekommen, wie viel ie heute einsparen können, wenn ie ein klein wenig mehr investieren. 1. Überprüfung des Ölstands und Ölzustands 2. ichtprüfung der Pumpe/Pumpenstation Wir denken voraus, damit ie auch morgen noch von einer optimalen Abwasserlösung profitieren können. Nach erleitung der Gleichung und Eingabe der Werte in der vorgegeben Einheit lässt sich die relative Abnahme der Effizienz und Förderhöhe wie folgt bestimmen: mit: Q = l/s = m = mm und sind Relativwerte. Die Gleichung gilt für den Betrieb um den Wirkungsgradbestpunkt. C p = Kostenfaktor n= Anzahl der Jahre i = Zinssatz p= erwartete durchschnittliche Inflationsrate pro Jahr i-p = Zinssatz nach Abzug der Inflationsrate Aktueller LCC-Wert Der Kostenfaktor wird über einen Zeitraum von 10 Jahren ermittelt. Zinssatz: 5 % Jährliche durchschnittliche Inflationsrate: 2 %