Dienstleistungen für r Mensch und Umwelt

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1 ro Dienstleistungen für r Mensch und Umwelt

2 EINLEITUNG Energieeinsparpotenziale im Wasserwerk Th. Renner, U. Kornhaas Ing.-Büro A. Eppler, Dornstetten 2. EPPLER WASSERTAG 21. März M 2012 Dornstetten 28. März M 2012 Rastatt

3 VERANLASSUNG

4 VERANLASSUNG 10% 4% Entspricht dem privaten Stromverbrauch des weltweiten Energieverbrauchs von einer Milliarde des von Stromsverbrauchs entfallen auf Pumpen weltweit ist einzusparen wenn Menschen Pumpensysteme hocheffizent arbeiten würden! w

5 INHALT Fördersysteme in der Wasseraufbereitung Energetische Betrachtung Grundlagen der Leistungsaufnahme Grundauslegung eines FördersystemsF Motoren- und Pumpenauswahl nach Energieeffizienzklassen Projektbeispiele Energetische Optimierung von Tief- und Förderpumpen F einer Wasserversorgungsgruppe Prozessoptimierung einer zentralen Enthärtungsanlage Austausch von Pumpen höherer h herer Effizienzklasse Energieoptimierung durch energie-/hydraulikoptimierte Netzpumpenanpassung

6 Fördersysteme in der Wasseraufbereitung Pumpensysteme Zur Förderung F von Flüssigkeiten kommen i. d. R. Pumpensysteme bestehend aus elektrischem Antriebsmotor mit angebauter Pumpe zum Einsatz. Druckerhöhungsanlagen hungsanlagen Im wesentlichen bestehend aus Steuereinheit mit Leistungselektronik, Pumpensystem und Druckbehälter.

7 Energie - Kosten Energiefluss Kostenfluss

8 Leistungsaufnahme Die elektrische Leistungsaufnahme von FördersystemenF lässt sich mit folgender Gleichung berechnen: P elektrisch = ρ η Pumpe g H Q η Motor ρ g H Q η Pumpe = Dichte des Fördermittels F [kg/m³] = Fallbeschleunigung [m/s²] = FörderhF rderhöhe he [m] = Förderstrom F [m³/h] = Wirkungsgrad der Pumpe Pumpe = Wirkungsgrad der Pumpe = Wirkungsgrad des Pumpenmotors η Motor

9 Pumpenauslegung Abdrehen des Laufraddurchmessers = Wirkungsgradverlust

10 Wirkungsgrad Der Wirkungsgrad η Motor und η Pumpe beschreibt die Güte G der Energieumwandlung Der Motor-Wirkungsgrad ist abhängig von den Motor- verlusten.. Die Güte G eines Motors wird in IE-Effizienz Effizienz- klassen 1-4 eingeteilt. Die Effizienz der Energieumwandlung bei Pumpen ist von dem zu fördernden f Volumenstrom, der Form des Laufrades und dem Pumpentyp abhängig. Den bestmöglichen Wirkungsgrad erreicht eine Kreiselpumpe bei konstanter Drehzahl in einem optimalen Betriebspunkt.

11 EuP/ErP Richtlinie (Energy-using Products/Energy-related related Products) EU-Parlament definiert Auflagen für f Verbrauch und Emissionen energiebetriebener Produkte EuP-Richtlinie für r Elektromotoren (Ökodesign-Richtlinie gem. EG-Verordnung Nr. 640/2009) EuP-Richtlinie für r Umwälzpumpen (Ökodesign-Richtlinie gem. EG-Verordnung Nr. 641/2009)

12 Gegenüberstellung der neuen und alten Motoren-Klassifizierungen

13 Motorenklassifizierung Laut EU-Verordnung gibt es seit 11. März M 2009 erstmals eine verbindliche Regelung für f r Motoren und den Einsatz von Frequenzumrichtern. Für F Einsparpotential bis 2020 verschiedene Leistungsklassen werden folgende IE-Effizienzklassen Effizienzklassen Mindeststandards vorgegeben: in Europa: - Leistungsklasse 0, kw: mindestens IE2 seit Juni % des gesamten Stromverbrauchs 5% des gesamten Stromverbrauchs IE3 - Leistungsklasse 7,5-375 kw: mindestens IE3 oder IE2 mit Frequenzumrichter ab Januar Milliarden EUR IE3 - Leistungsklasse 0, kw: mindestens IE3 oder IE2 mit Frequenzumrichter ab Januar 2017

14 Pumpenklassifizierung Seit Juli 2009 gelten neue verbindliche Effizienzstandards. Für F Umwälzpumpen wird ein Energieeffizienzindex (EEI) eingeführt: Einhaltung der EuP-Richtlinie ist Teil der Einsparpotential bis 2020 Konformitätserkl tserklärung rung (CE( CEin Europa: Kennzeichnung) Ab Januar 2013 gilt für f r Umwälzpumpen der EEI-Grenzwert 0,27 (für r Energieeffizienzklasse A, Energieeffizienzklassen A D A D entfallen!) 23 TWh el. Energie Ab August 2015 wird der EEI-Grenzwert auf 0,23 herabgesetzt. Notwendig für f r Produktzulassung! Er gilt dann auch für f r anlagen- bzw. systemintegrierte Pumpen. 11 Mio. Tonnen CO 2 -Ausstoß Ab 2020 auch bei Austausch integrierter Pumpen in bestehenden Anlagen. Zielgröß öße: EEI < 0,20 (Benchmarkziel( Benchmarkziel!)

15 Projektbeispiel 1: Wasserversorgungsgruppe energetische Überprüfung der Tief- und FörderpumpenF einer Wasserversorgungs- gruppe

16 Aufgabenstellung Ein erhöhter hter Energieverbrauch im Verhältnis zur geförderten Wassermenge war der Auslöser ser für detaillierte energetische Überprüfung der Tiefbrunnen- und FörderpumpenF rderpumpen.

17 Datenerfassung Es ist wichtig, dass der aktuelle Energieverbrauch jedes einzelnen Aggregats genau erfasst und analysiert wird. Neben der Ermittlung der einzelnen elektrischen. Leistungsaufnahmen gilt es, die Förderhöhen, Jahresfördermengen rdermengen, Gesamtenergiebezug, Baujahr und allgemeiner Zustand der Aggregate etc. aufzunehmen.

18 Datenerfassung Um möglichst m genaue Ergebnisse zu erzielen, wurden folgende Messungen bzw. Parameter festgelegt: Höhe Behältereinlauf ü.nn - Ruhedruck Höhe Ruhewasserstand ü.nn - Förderdruck Höhe Beharrungswasserstand ü.nn - Höhe Druckmessung ü. NN Aufgenommene. NN Wirkleistung Pumpe Um die elektrische Leistungsaufnahme möglichst m genau zu ermitteln, wurden Wirkleistungszähler eingebaut.

19 Grundlagenermittlung Überprüfung Arbeitet die alte Pumpe innerhalb/nahe ihres optimalen Betriebspunktes? Entspricht der Wirkungsgrad noch den Herstellerangaben? Welches Wirkungsgradniveau erreicht die Pumpe im Hinblick auf den aktuellen Stand der Technik? Wie gut ist die Pumpe erhalten? Verschleiß! Wie hoch sind die Rohrleitungs- bzw. Systemverluste?

20 Datenerfassung Brunnen Überprüfung: Prinzipskizze Tiefbrunnen

21 Datenerfassung Netz Überprüfung: Prinzipskizze FörderpumpenF

22 Datenauswertung Energieeinsparung Tiefbrunnenpumpen nicht ausgetauscht

23 Datenauswertung Energieeinsparung Förderstufen/NetzpumpenF nicht ausgetauscht

24 Wirtschaftlichkeitsbetrachtung Aufgrund der Ergebnisse aus der Überprüfung/Berechnung wurden 11 der 13 Tiefbrunnenpumpen sowie 2 Förderpumpen F ausgetauscht. Wirtschaftlichkeitsnachweis: Bei Bezugskosten von 0,06 kw/h ergibt dies eine Einsparung von jährlich j Der Investitionsbedarf für r Lieferung und Einbau der Tiefbrunnenpumpen sowie für f r Austausch der Förderpumpen F liegt bei ,-. Amortisation: ca. 6 Jahre

25 Projekt 2: Überprüfung Carix -Anlage Energetische Überprüfung einer Carix -Enthärtungsanlage Carix -Anlage, zweistraßig ig,, für f r eine Aufbereitungsmenge bis zu 700 m³/h, m bestehend aus: - Rohwasserpumpen - Reinwasserentgaser - Reinwasserrieseler - Regenerierpumpen - Umwälzkompressor - Eluat-Kompressoren - Ionenaustauscher - Reinwasserzwischenpumpen - Regenerierspeicher - Eluatentgaser - Eluat-Vakuumpumpen - Kühlwasser- und Druckluftversorgung

26 Überprüfung Carrix-Anlage R&I Schema Carrix-Anlage

27 Überprüfung Carrix-Anlage Straße 1 R&I Schema Carrix-Anlage

28 Überprüfung Carix -Anlage Bei der Überprüfung wurde festgestellt: Im Rohwasserweg sind Drosseleinrichtungen zur Volumenstromregelung eingesetzt Im Regenerierwasserkreislauf sind Drosseleinrichtungen zur Volumenstromregelung eingesetzt Die Reinwasserpumpen arbeiten nicht in ihrem optimalen Betriebspunkt

29 Prozessoptimierung Optimierung der Regelkreise Druckregelung Rohwasser über Frequenzumrichter Ermittlung des Einsparpotentials durch Absenken des Drucks in den Ionentauschern über die Drehzahlkennlinien der Förderpumpen. F Durchflussregelung Regenerierwasser über FU Ermittlung des Einsparpotentials durch Regelung der Durchflussmengen über FU anstatt Drosselorgane. Änderung Betriebsweise der Reinwasserpumpen bei <500 m³/h. m Ermittlung des Einsparpotentials durch Abfahren der gesamten Reinwassermenge über eine Pumpe.

30 Mengenregelung

31 Mengenregelung Differenz: 125%

32 Drehzahlregelung Drehzahlkennfeld Rohwasserpumpen Betrieb bei 50Hz Fördermenge m³/h Förderhöhe 44-47m Leistungsaufnahme 35-45kW Betrieb bei 40Hz Fördermenge m³/h Förderhöhe 26-29m Leistungsaufnahme 20-24kW Betrieb bei 35Hz Fördermenge m³/h Förderhöhe 19-22m Leistungsaufnahme 14-18kW

33 Datenauswertung Energieeinsparung Carix-Anlage Prozess nicht geändert

34 Wirtschaftlichkeitsbetrachtung Nach Überprüfung der Carix-Anlage wurde entschieden, die Rohwasser- und Regenerierwasserpumpen mit Frequenzumrichtern auszustatten. Wirtschaftlichkeitsnachweis: Bei Bezugskosten von 0,06 kw/h ergibt dies eine Einsparung von jährlich j Der Investitionsbedarf für r die erforderlichen Maßnahmen beläuft sich auf Amortisation: < 3 Jahre

35 Projekt 3: Austausch einer Reinwasser-Netzpumpe Technische Daten: Pumpentyp: trocken aufgestellte Kreisel-Blockpumpe mehrstufig, horizontal Laufrad: Fördermenge: geschlossen 50 l/s (180 m³/h) m bei 196 m WS Aufgabe: Trinkwasserversorgung; Förderung bis Haupt-Hochbeh Hochbehälter

36 Projekt 3

37 Projekt 3 Wirtschaftlichkeitsnachweis Bei Bezugskosten von 0,10 /kwh ergibt dies eine Einsparung von jährlich j Der Investitionsbedarf für r die erforderlichen Maßnahmen beläuft sich auf ca Amortisation: > 10 Jahre

38 Projekt 4: Optimierungsmaßnahmen nahmen im Wasserwerk Energieeinsparung durch folgende Maßnahmen: Austausch der großen vorhandenen Förderpumpe F (90 l/s, 400kW) durch eine kleine Pumpe (45 l/s, 160 kw) Dadurch Optimierung des Wasserspeichermanagements zusätzlich: Anpassung der Filterrücksp ckspülpumpe an die RückspR ckspülung der Filter durch Installation eines Frequenzumformers (FU).

39 Projekt 4 Istsituation Dezember 2005 Bezeichnung Zeitraum Menge spez. Preis Gesamtbetrag Abrechnungsleistung HT Dez kw 6,00 /kw 2.136,00 Wirkarbeit HT Dez kwh 4,36 ct/kwh 2.882,00 Wirkarbeit NT Dez kwh 3,86 ct/kwh 1.009,47 Messpreis Dez 05 1 Monat 1560,00 /Jahr 130,00 Belastungen aus EEG Dez kwh 0,540 ct/kwh 498,17 Belastungen aus KWKG Dez kwh 0,336 ct/kwh 28,00 Belastungen aus KWKG Dez kwh 0,050 ct/kwh 41,96 Konzessionsabgabe HT Dez kwh 0,110 ct/kwh 72,71 Konzessionsabgabe NT Dez kwh 0,110 ct/kwh 28,77 Stromsteuer Dez kwh 1,230 ct/kwh 1.134,71 Gesamt Ist-Situation: 7.961,79

40 Datenauswertung Situation nach Pumpenaustausch Bezeichnung Zeitraum Menge spez. Preis Gesamtbetrag Abrechnungsleistung HT Dez kw 6,00 /kw 1.716,00 Wirkarbeit HT Dez kwh 4,36 ct/kwh 2.323,88 Wirkarbeit NT Dez kwh 3,86 ct/kwh 1.405,04 Messpreis Dez 05 1 Monat 1560,00 /Jahr 130,00 Belastungen aus EEG Dez kwh 0,540 ct/kwh 484,34 Belastungen aus KWKG Dez kwh 0,336 ct/kwh 26,88 Belastungen aus KWKG Dez kwh 0,050 ct/kwh 40,85 Konzessionsabgabe HT Dez kwh 0,110 ct/kwh 58,63 Konzessionsabgabe NT Dez kwh 0,110 ct/kwh 40,04 Stromsteuer Dez kwh 1,230 ct/kwh 1.103,22 Gesamt Situation nach Pumpenaustausch: 7.328,88 mögliche Einsparung im Monat Dezember 2005: 632,90 mögliche jährliche Einsparung an el. Energiekosten: (Wert Dezember2005 x 12 x 1,055) verkaufte Wassermenge pro Jahr: resultierende spezifische Minderung im Wasserpreis: 8.012,56 /Jahr ,00 m³/jahr 0,31 ct/m³

41 Projekt 4 Ergebnis der Maßnahme jährliche Einsparung an Energiekosten von ca Kostenreduzierung dieser Maßnahme beruht hauptsächlich auf Verminderung der hohen Spitzenleistung (ca. 400 kw) Die Verringerung der Spitzenleistung reduziert Fixkosten im Hochtarifbereich. kontinuierlichere Befüllung der Hochbehälter verursacht geringere Reibungs- bzw. Leistungsverluste in Rohrleitungen, was zu deutlichen Energieeinsparungen führt. f

42 Ergebnisübersicht Zahlen, die für f r sich sprechen: Maßnahme Verbrauchssenkung Kostensenkung Investition Amortisation Austausch Tiefbrunnen- und Förderpumpen Energieoptimierung Carix-Anlage Austausch Förderpumpe 160 kw kwh/jahr /Jahr Jahre kWh/Jahr /Jahr < 2 Jahre kwh/jahr /Jahr > 10 Jahre Pumpenaustausch/ Spitzenstromtarifreduzierung HT- Preis: 6 /kwx840 kw HT: kwh/jahr NT: kwh/jahr /Jahr /Jahr > 4 Jahre

43 Fazit Wirtschaftlichkeitsbetrachtung: Oftmals decken die notwendigen Instandsetzungskosten einen Großteil der Anschaffungskosten Investitionskosten für f r neue Anlagen sind im Vergleich zu den laufenden Energiekosten meist sehr gering Durch den Einsatz von neuen und effizienten Technologien sind erhebliche Einsparungspotenziale möglich (Amortisationen bis < 2 Jahre)

44 Systemkostenvergleich

45 Vielen Dank für r Ihre Aufmerksamkeit