Aspekte des KSB Bausteinkonzeptes

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1 Aspekte des KSB Bausteinkonzeptes zur Steigerung der Energieeffizienz in Kreiselpumpenanlagen Neue intelligente Pumpeninstrumentierung neue Antriebssysteme für Versorgungsmaschinen Einsatz von KSB PumpMeter in Techem Energieerfassungssystemen Vertrieb energieeffiziente Systeme Dipl. Ing. (FH) Martin Bartels 1

2 elektromagnetisch 19% elektrolytisch 4% elektronisch 4% Summe Elektrische Energie EU-27 nach Art der Umwandlung TWh 510 elektromechanisch 49% Kompressoren Pumpen Übersicht El. Energieverbrauch EU- 27 nach Art der Umwandlung in TWh 90% Asynchron- Motoren (ASM)* Schnitt durch ASM elektro-thermisch 24% Motoren Lüfter Quelle Diagramm: Study for an update of the Ecodesign Working Plan Amended Ecodesign Working Plan for the European Commission, Brüssel/Delft, 18. Februar 2011 * EUP Lot 11 Motors Final Report February 2008, Aníbal T. de Almeida, Coimbra, 18. Februar 2008, Seite 19 Servoantriebe 117 I S-E174/175 I Martin Bartels I 2012 I 2

3 Bis zu 60% Bis zu 10% System Modul Analyse des Systems Übersicht der möglichen Einsparpotenziale KSB-Berater betrachten immer das gesamte hydraulische System um die maximalen Einsparpotenziale zu heben. Ca. 3,5% Komponente 37 I S-E174/175 I Martin Bartels I 2012 I 3

4 Grundlagen VI Gesetzmäßigkeiten bei stufenloser Drehzahlregelung von Kreiselpumpen Förderstrom H 2 Q 2 80% Drehzahl heißt 80% Förderstrom, Förderhöhe 64% Förderhöhe, Leistungsaufnahme P 2 und nur 51% Leistungsaufnahme. = Q 1 = H 1 = P 1 n 2 n 1 n 2 n 1 n 2 n Affinitätsgesetze aus der Ähnlichkeitsmechanik: Lineare Zunahme/Abnahme des Förderstroms bei linear ansteigender/fallender Drehzahl Quadratische Zunahme/Abnahme der Förderhöhe bei linear ansteigender/fallender Drehzahl Kubische Zunahme/Abnahme der Leistungsaufnahme bei linear ansteigender/fallender Drehzahl 34 I S-E174/175 I Martin Bartels I 2012 I 4

5 Maximales Ausschöpfen der Energie-Einsparpotenziale beim Betrieb von Kreiselpumen 5

6 Energy Efficiency by KSB Energieeffizienz In hochkomplexen Systemen und Abläufen auch kleinste Details zu erkennen, erfordert Transparenz. Dafür sorge ich. Dr. Falk Schäfer Leiter SES System Effizienz Service 35 I S-E174/175 I Martin Bartels I 2012 I 6

7 Analyse des Systems Ansatz gemäß DIN EN bzw. zukünftig ISO Planen Gezielt ausprobieren Ergebnis überprüfen In der Breite umsetzen 45 I S-E174/175 I Martin Bartels I 2012 I 7

8 Analyse des Systems KSB PumpMeter Messung Saugdruck Messung Enddruck Berechnung Differenzdruck Berechnung Förderhöhe Berechnung Betriebspunkt Vorortanzeige Analogausgang 40 I S-E174/175 I Martin Bartels I 2012 I 8

9 Analyse des Systems KSB PumpMeter 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 42 I S-E174/175 I Martin Bartels I 2012 I 9

10 Analyse des Systems KSB PumpMeter Auslesen des Lastprofils 43 I S-E174/175 I Martin Bartels I 2012 I 10

11 1M.1 D2 D2x Druckmessung und Strömungslehre Berechnung der Förderhöhe der Pumpe D1 1M.2 Messung von Drücken und Berechnung des Betriebspunkts Messwerte: Saugdruck p 1, Druck am Eintritt (1M.2) der Pumpe in bar Enddruck p 2, Druck am Austritt (1M.1) der Pumpe in bar Berechnung Förderhöhe der Pumpe: Messpositionen am Beispiel Etanorm / Etabloc z 1 z 2 p 2 - p 1 = statischer Differenzdruck v 2 2 v 1 2 / 2g = dynamische Komponente durch unterschiedliche Querschnitte D1, D2, D2x z 2 - z 1 = geometrische Höhendifferenz der Messpositionen 46 I S-E174/175 I Martin Bartels I 2012 I 11

12 Etabloc GN /1104 G11 Feste Drehzahl (257mm Laufrad) 202 I S-E174/175 I Martin Bartels I 2012 I 12

13 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 47 I S-E174/175 I Martin Bartels I 2012 I 13

14 Analysebeispiel 1 KSS Anlage Bereich Maschinenbau Quantifizieren und Qualifizieren von energetischen Defiziten in Bestandsanlagen 3. Fehler im Anlagenaufbau beispielhaft: Druckanschlüsse 50 I S-E174/175 I Martin Bartels I 2012 I 14

15 Analysebeispiel 1 KSS Anlage Bereich Maschinenbau Quantifizieren und Qualifizieren von energetischen Defiziten in Bestandsanlagen Zusätzliche Auswertemöglichkeit aus dem Pumpmeter 51 I S-E174/175 I Martin Bartels I 2012 I 15

16 Analysebeispiel 1 KSS Anlage Bereich Maschinenbau Quantifizieren und Qualifizieren von energetischen Defiziten in Bestandsanlagen zusätzliche Auswertemöglichkeit aus dem Pumpmeter 52 I S-E174/175 I Martin Bartels I 2012 I 16

17 Analysebeispiel 1 KSS Anlage Bereich Maschinenbau Das Ergebnis eines Umbaus Phase 1 Messen, Phase 2 Umbauen [im Umbauzustand] Einsparpotenzial: 90% 53 I S-E174/175 I Martin Bartels I 2012 I 17

18 Energy Efficiency by KSB Energieeffizienz Was mich antreibt? Das Maximum herauszuholen. Was der Kunde davon hat? Maximale Energieeinsparung. Ralf Kurrich Leiter Entwicklung Tauchmotoren 107 I S-E174/175 I Martin Bartels I 2012 I 18

19 Hocheffiziente Antriebe ErP-Richtlinie 2009/125/EG Verordnung EG 640/2009 Motoren Ab Juni 2011 von 0,75 kw bis 375kW Wirkungsgrad mindestens IE2 Ab Jan 2015 von 7,5 kw bis 375kW Wirkungsgrad mindestens IE3 oder IE2 + Drehzahlregelung Ab Jan 2017 von 0,75 kw bis 375kW Wirkungsgrad mindestens IE3 oder IE2 + Drehzahlregelung 112 I S-E174/175 I Martin Bartels I 2012 I 19

20 15% weniger Verluste gegenüber IE3 sind machbar! Hoch-Eff.-Motor * *Quelle: Fa. REEL 154 I S-E174/175 I Martin Bartels I 2012 I 20

21 Elektrische Antriebe in der Versorgungstechnik Gleichstromantriebe Drehstromantriebe Asynchronmaschine Synchronmaschine Standard (IE2/IE3) Synchronreluktanzantrieb Kupferläufer- Technologie (IE3/IE4) Hybrid- Technologie (IE3/IE4) PM erregter Synchronantrieb Bild: Euro-Group Bild: Kienle & Spiess BildSEW EuroDrive Bild: TU Kaiserslautern KSB SuPremE drehzahlunveränderliche Antriebe (ohne FU) drehzahlveränderliche Antriebe (mit FU) 122 I S-E174/175 I Martin Bartels I 2012 I 21

22 Antriebstechnik Technologie im Wandel Alu raus, Kupfer rein? Ist das effizient? Quelle: Hannover-Messe I S-E174/175 I Martin Bartels I 2012 I 22

24 Spiegel 45/2009 Rheinpfalz Deutsche Rohstoffagentur Rheinpfalz Handelsblatt I S-E174/175 I Martin Bartels I 2012 I 24

25 Preisentwicklung der in Permanentmagneten verwendeten Seltenen Erden (Nd, Dy, Tb) Index 2008 = 100 Preisentwicklung SE SE-Index Quelle: Lynas Corporation LTD, ZVEI-eigene Berechnungen 142 I S-E174/175 I Martin Bartels I 2012 I 25

27 Produktion Seit 2012 Standort Halle Saale 140 I S-E174/175 I Martin Bartels I 2012 I 27

28 nicht wirtschaftlich erreichbar IE4 IE3 IE2 IE1 Technologischer Wandel IE4 IE gefordert Marktstandard 2010 Synchrontechnik Technologie im Wandel Traditioneller Synchronantrieb => Permanentmagnetmotor +Frequenzumrichter Innovativer Synchronantrieb nach altem Reluktanzprinzip => KSB SuPremE Asynchron-Hybridformen beider Motortypen existieren => nicht drehzahlvariabel! Asynchrontechnik Synchrontechnik 126 I S-E174/175 I Martin Bartels I 2012 I 28

29 KSB SuPremE Motor an einer typischen KSB Pumpe der Baureihe Etanorm IE 4 Technologie in IEC Standardgehäuse Bauform IE2 Bsp. Etanorm PumpDrive 1 mit SuPremE-Motor 141 I S-E174/175 I Martin Bartels I 2012 I 29

30 Technologie KSB SuPremE-Motor Ein Synchron-Reluktanzmotor ist eine Drehstrom- Synchronmaschine mit einem Rotor (Läufer), der einen sog. Flusssperrenschnitt aufweist. Der Stator (Ständer) des Synchron- Reluktanzmotors weist, wie bei anderen Drehstrommaschinen drei räumlich um je 120 versetzte Spulen auf, die vo n dreiphasiger Wechelspannung gespeist werden. In diesem vom Ständer erzeugten Drehfeld weist der Rotor aufgrund längs des Umfangs unterschiedlicher magnetischer Leitfähigkeit Vorzugsrichtungen auf. Das Drehmoment wird bei diesem Motor aufgrund der Reluktanzkraft durch die Vorzugsrichtungen hervorgerufen und nicht wie bei anderen elektrischen Maschinen zufolge der Lorentzkraft. Der Rotor dreht sich wie bei allen Synchronmotoren synchron mit dem Drehfeld des speisenden Spannungsnetzes. Die Drehzahl ist über die Polpaarzahl mit der Frequenz der Wechselspannung verknüpft. In der Praxis sind Synchron-Reluktanzmotoren meistens 4-polig ausgeführt, können bei entspr. höherer Frequenz des Netzes trotzdem bei mechanischen Drehzahlen von 3000 bis 4200 oder mehr Umdrehungen pro Minute laufen. 129 I S-E174/175 I Martin Bartels I 2012 I 30

31 Schnittmodell Rotor SuPremE A 130 I S-E174/175 I Martin Bartels I 2012 I 31

32 Design + Fertigung SuPremE A Bewickeln des Stators gem. Wickelschema und Wicklungsauslegung: Standard in Halle Fügen des Rotors: Weltneuheit! 136 I S-E174/175 I Martin Bartels I 2012 I 32

33 Animation KSB SuPremE 132 I S-E174/175 I Martin Bartels I 2012 I 33

34 Technologie Historie der Synchron-Reluktanz-Motortechnologie (h) (g) (i) (f) (f) Rotor laminaton REEL SSP-motor acc. to patent Prof. A. Vagati (f) KSB SuPremE -Motor (präsentiert auf der ISH 2009, Frankfurt) vor endgültiger Def. der IE4-Norm (Super Premium Efficiency) (g) Synchronous motor and drive Package (Hannovermesse 2011) (h) REEL SuPremE -Motor Studie (Hannovermesse 2011) Quelle Zeitstrahl bis 1998: ABB, 2011 ab 2000: Ergänzung KSB 127 I S-E174/175 I Martin Bartels I 2012 I 34

35 Hocheffiziente Antriebe SuPremE-Motor Zur Hannovermesse 2011: Designvariante ohne Lüfter 170 I S-E174/175 I Martin Bartels I 2012 I 35

36 15% weniger Verluste gegenüber IE3 sind machbar! Hoch-Eff.-Motor * *Quelle: Fa. REEL 154 I S-E174/175 I Martin Bartels I 2012 I 36

37 Hocheffiziente Antriebe 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 155 I S-E174/175 I Martin Bartels I 2012 I 37

38 Hocheffiziente Antriebe Wirkungsgradkennfeld KSB SuPremE-Motor Der Wirkungsgrad ist bei Drehzahlveränderung und verändertem Drehmomentbedarf deutlich stabiler 156 I S-E174/175 I Martin Bartels I 2012 I 38

39 Hocheffiziente Antriebe KSB SuPremE-Motor Asynchronmotor IE3 KSB SuPremE-Motor Der Vorteil von Synchronmotortechnik liegt vor allem Teillastbereich Dort wo fast alle Pumpen betrieben werden Wirkungsgradkennfelder 157 I S-E174/175 I Martin Bartels I 2012 I 39

40 Vergleich Wirkungsgrad SuPremE vs. ASM Auch bei Teillast stabil. Der Wirkungsgrad des SuPremE-Motors KSB SuPremE 7,5kW 1500 Min -1 * IE3 Asynchronmotor 7,5kW 1450 Min * Messung: Prof. Prof. h. c. mult. Dr.-Ing. Peter F. Brosch, Hochschule Hannover, University of Applied Sciences and Arts, Fakultät I, Antriebe und Automatisierungstechnik 158 I S-E174/175 I Martin Bartels I 2012 I 40

41 Drehmoment 100% definiert durch IEC SuPremE Warum IE3 nicht ausreicht 75% 50%? auf manchen Datenblättern zu finden Die IEC Ed. 2 definiert nur den Wirkungsgrad am Nennpunkt Alle ASM-Hersteller nennen Teillastwirkungsgrade bei voller Drehzahl 25% Pumpen laufen abseits dieser Punkte 0% 25% 50% 75% 100% Drehzahl 159 I S-E174/175 I Martin Bartels I 2012 I 41

42 Bauformen B3, B6, B7, B8, V5, V6 V15, (V1), (V3), V35, (B5), B35 IE4 gem. IEC/CD Ed. 2 KSB SuPremE Standard bei KSB 0,55 45 kw Angabe der Teillastwirkungsgrade gem. EG640/ und 3000 Min Min -1 regelbar 40 C Umgebungstemperatur 1,8 Nm 286,5 Nm Made in Germany (>4kW) 167 I S-E174/175 I Martin Bartels I 2012 I 42

43 Zeitanteil % Variablen Energiekosten in Euro/kWh 0,13 Betriebsdauer in h Hocheffiziente Antriebe KSB SuPremE-Motor Volumenstrom % Arbeitspunkte Motor Der Vorteil von Synchronmotortechnik liegt vor allem Teillastbereich Dort wo fast alle Pumpen betrieben werden Kostenrechnung Kosten AP1 Kosten AP2 Kosten AP3 Kosten AP4 Gesamt Kosten SuPremE 729, ,24 723,21 378, ,68 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 160 I S-E174/175 I Martin Bartels I 2012 I 43

44 SuPremE Pilotphase Referenz IKS IKS der Energiesparprofi Das Unternehmen IKS - Industrielle Kühlsysteme - ist einer der führenden Hersteller von kältetechnischen Anlagen. Seit über einem Jahrzehnt entwickelt, plant, fertigt und installiert IKS weltweit innovative und energiesparende Kühlanlagen inklusive Verrohrungssysteme für die Industrie wie z.b. Spritzund Druckgussanlagen, Kunststoff- Spritzgussanlagen, Kunststoffblasanlagen, Maschinenbau, Verkehrs- und Medizintechnik sowie Automotivezulieferer. 173 I S-E174/175 I Martin Bartels I 2012 I 44

45 30% Einsparung SuPremE Pilotphase Referenz IKS Unser Kunde IKS zeigt die Vorteile des KSB SuPremE-Motors auf der Messe Fakuma I S-E174/175 I Martin Bartels I 2012 I 45

46 Kontakt und Copyright KSB Aktiengesellschaft VH Berlin Abteilung S-E174 / S-E175 Martin Bartels Wittestraße Berlin Tel Martin.Bartels@KSB.com Mobil.: Herausgeber KSB Aktiengesellschaft vertreten durch den Vorstand: Dr. Wolfgang Schmitt, Dr.-Ing. Peter Buthmann, Prof. Dr.-Ing. Dieter-Heinz Hellmann Copyright 2012 KSB Aktiengesellschaft 270 I S-E11 I Daniel Gontermann I 2011 I 46