Die Verbesserung der Energieeffizienz. von Pumpensystemen

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1 Die Verbesserung der Energieeffizienz von Pumpensystemen Gerhard Berge KSB AG Frankenthal 1

2 Der Weg zu energieeffizienten Pumpensystemen 5 Etappen führen zum Erfolg. 2

3 Was passiert mit Kreiselpumpen, wenn sie ausserhalb des zulässigen Bereichs gefahren werden? Förderhöhe [%] Überhitzung Kavitation Typischer Laufradverschleiß Kürzere Lebensdauer Lager und GLRD Wirkungsgradverlauf Austauschwirbel Teillastwirbel Gut: -20%...+10% Normal: -30%...+15% Ideal = -10%..+5% vom Optimum Lebensdauer [%] Kürzere Lebensdauer Lager und GLRD Kennlinie Kavitation Die Auslegung Betrieb im Optimum spart Energie und erhöht die Lebensdauer Förderstrom [%] Quelle: nach Judy Hodgson (Du Pont): Predicting Maintenance Costs Accurately, Pumps & Systems, April

4 Pumpenbetrieb in der Praxis Jenseits bestimmungsgemäßen Betriebs Viele Pumpen werden außerhalb eines energieund verfügbarkeitsoptimalen Betriebsbereichs eingesetzt. Betriebsstunden Pumpe Nr. Nur wenige Pumpen werden im Optimum betrieben. Hier liegt Optimierungspotenzial! Fördergrad Q/Qopt 0 Fördergrad Q/Qopt 1,5 Quelle: Projekt ReMain; < 4

5 EUROPUMP Klassifikation System Approach Bis zu 60% System Analyse des Systems Übersicht der möglichen Einsparpotenziale Extended Product Approach Bis zu 25% Modul Professionelle Berater betrachten immer das gesamte hydraulische System, um die maximalen Einsparpotenziale zu heben. Hierbei muß die Energiebilanz des Gesamtsystems bewertet werden, nicht nur die Product Approach Wirkungsgrade der Einzelkomponenten. Ca. 3,5% Pumpen- und Schüttgut Forum 2011, Würzburg 15./16. November Komponente

6 Realer Betrieb von Kreiselpumpen: Überdimensionierung und Teillastbetrieb Förderhöhe Häufigster Betriebspunkt Realer Vollastpunkt Nenn-Förderhöhe n0,9 n n Auslegungspunkt (mit Reserve) Förderstrom geringerer Bedarf Nenn-Förderstrom 6

7 Das Herz jeder Kreiselpumpe: Das Laufrad Hocheffiziente Hydraulik Exakt an die Betriebsanforderungen angepasste Laufräder 7

8 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, insbesondere wenn variierende Betriebspunkte gefragt sind, Stichwort Drehzahlregelung. 8

9 Förderstromanpassung durch Drehzahlregelung spart Energie H [%] B 2 50 % 70 % B 1 n = 100 % 90 % Q [%] H [%] Anlagenkennlinie (Teillast) Anlagenkennlinie (Volllast) Drehzahlregelung B 1 n = 100 % 80 % 70 % B 2 60 % 50 % Q [%] P W [%] Leistungsreduktion P 2 50 % P 1 70 % n = 100 % 90 % Q [%] ~~ M 9

10 Das Lastprofil ist wesentliche Grundlage für den Einspareffekt durch Drehzahlregelung Für den energieeffizienteren Betrieb von Kreiselpumpensystemen sind die Wirkungsgrade der Hydraulik und der Antriebseinheit speziell im Teillastbereich wesentliche Enflußgrößen! 10

11 Warum ist IE3 nicht genug? Drehmoment 100% 75% 50% 25% Definiert durch IE Klasse? Manchmal im Datenblatt angegeben 0% 25% 50% 75% 100% RPM Die IEC Ed. 1 definiert nur einen Mindest Wirkungsgrad bei Nennwert von Drehzahl und Drehmoment, einem Betriebspunkt, wo Kreiselpumpen selten laufen. Die Hersteller von ASM geben Teillastwerte - wenn überhaupt - nur bei Nenndrehzahl an. Es gibt bisher keine klarenregeln für die für Kreiselpumpen üblichen Werte. Hier erarbeitet derzeit CENELEC unter aktiver Mitarbeit von EUROPUMP eine Lösung! 11

12 Neuer Hocheffizienz Motor/ Antrieb SuPremE-Motor Synchron-Reluktanzmotor Rotor mit Flusssperrenschnitt Magnetfrei Materialverfügbarkeit Ressourcenschonend entspricht IE4 gem. IEC/TS Ed. 1, Erstpräsentation 2009 auf der ISH und der HMI! 12

13 Drehmoment in Nm Drehmoment in Nm Wirkungsgradkennfelder IE3 Asynchron Motor Der Wirkungsgrad bei Nenndrehzahl ist nahezu konstant bis zu einer Last von 50 %. Er sinkt drastisch ab bei Lasten kleiner 50 %. Das trifft auch für reduzierte Drehzahlen zu, was dem typischen Drehmoment Bedarf von Kreiselumpen entspricht. Drehzahl in 1/min 7,5kW SuPremE, /min SuPremE-Motor Drehmoment in Nm Drehmoment in Nm Drehzahl in 1/min Hoch Effizienz Motor Der Vorteil der Synchronmotortechnik liegt vor allem im Teillastbereich. Dort wo fast alle Kreiselpumpen betrieben werden. Der Wirkungsgrad ist deutlich stabiler in bezug auf die eingestellten Drehzahl- und Drehmoment- Anforderungen. Drehzahl in 1/min 13

14 Hocheffiziente Antriebe SuPremE-Motor Zur Hannovermesse 2011: Designvariante ohne Lüfter Das verbessert den Wirkungsgrad deutlich 14

15 Transportverluste der Rohrleitung Wie hoch ist der Wirkungsgrad einer Rohrleitung? H v H 1 H 2 Q 1 Q 2 η = H 2 für Q 1 = Q 2 = H 1 konstant wegen H V = H 1 H 2 gilt η = 1- H v H 1 Quelle: Norbert Gröning, KSB AG 15

16 Die wirtschaftlichste Rohrleitung Dimensionierung von Rohrleitungen: üblich: Richtwerte der Fließgeschwindigkeit als Ausgangsgröße zur Festlegung von D besser: Kostenoptimierung von Investitions- und Energiekosten - Investitionskosten für dünnwandige Rohre gemäß C i,rohr = k D 2 - Energiekosten (C e ) über Verlustbeiwerte der Einzelkomponenten LCC C e ~ Q ( t ) H V ( t ) C e + C i C i C e D 2 opt D 2 Quelle: Norbert Gröning, KSB AG 16

17 Typische kostengünstige Auslegung nach Investkosten Beispiel für Nennweite DN 100: Etaline /2204 Q= 104 m³/h H stat = 8,5m ; H ges = 49m = Rohr und Formteile Länge [m] Anzahl H 1 Nennweite [DN] Verluste [m] Volumenstrom [m³/h] m Rohr Absperrarmatur BOA- SC ,0 104 Rückschlagklappe Serie ,5 104 Schmutzfänger BOA-S Regelventil BOA-SC-CVE , ,0 104 Quelle: Norbert Gröning, KSB AG Summe = 40,5 = H v η = 1-40,5 49 = 17% 17

18 Eine energieoptimierte Auslegung nach LCC Massstab Beispiel für Nennweite DN 150: Etaline /754 Q= 104 m³/h H stat = 8,5m ; H ges = 18,2m = Rohr und Formteile Länge [m] Anzahl Nennweite [DN] Verluste [m] Volumenstrom [m³/h] m Rohr / 150 6,1 104 Absperrarmatur BOA- SC 3 125/ 150 1,0 104 Rückschlagklappe Serie ,8 104 H 1 Schmutzfänger BOA-S Regelventil BOA-SC-CVE , ,0 104 Quelle: Norbert Gröning, KSB AG Summe = 9,7 = H v η = 1-9,7 18,2 = 46% 18

19 Verfügbarkeitsoptimale und energieeffiziente Durchflussregelung durch intelligente Verknüpfung von geregelter Pumpe und Regelventil M+ FU FlowUnit M Kundennutzen - Kostenreduktiong durch Systembetrachtung - Energieoptimierter Betrieb von Pumpe und Ventil - Höhere Lebensdauer und Verfügbarkeit - Senkung der Wartungskosten - Schnelle Inbetriebnahme als Unit - Einbindung ins anlagennahe Asset-Management - Hohe Prozessqualität und verbesserte Regelgüte durch Einsatz von Advanced Control Entwicklungspartner: - KSB - SAMSON - TU Darmstadt Quelle: Dr. Thomas Paulus, KSB AG, P52 19

20 Gesetzliche Anforderungen an die Energieeffizienz von Pumpen und Motoren in der EU Auf europäischer Ebene laufen unter dem Begriff EuP Energy using Products seit einigen Jahren Gesetzgebungsverfahren zur drastischen Reduzierung des CO2 - Ausstoßes durch Reduzierung des elektrischen Stromverbrauchs. Die daraus resultierende Richtlinie ECO-Design of Energy using Products ist als EuP/ Eco-design Directive 2005/32/EC vom EU Parlament verabschiedet worden. Hieraus sind zu deren Umsetzung bereits Direktiven und Verordnungen entstanden. Betroffene Produkte sind in Lose aufgeteilt. Unter diese Verordnungen fallen in LOS 11 neben Elektromotoren, Ventilatoren auch Kreiselpumpen wie Heizungs- und Wasserpumpen: - Heizungs Umwälzpumpen bis 2500 W nur Naßläufer (Direktive mit konkreten Anforderungen bereits verabschiedet) - Elektrische Standard Asynchron Motoren 0,75 bis 375 kw (Direktive mit konkreten Anforderungen bereits verabschiedet) - Wasserpumpen bis 150 kw, 4 und 6 Submersibles; Die Direktive ist in Vorbereitung. Die Verabschiedung der Direktive ist im 2. Halbjahr 2012 zu erwarten. Die EuP Ökodesign Direktive wurde 2009 aktualisiert und erweitert: Die EuP - Direktive 2005/32/EC wurde in die ErP - Direktive 2009/125/EC überführt: Die DIREKTIVE Energy using Products wurde erweitert in Energy related Products. ErP führt die unter EuP begonnene Arbeit fort und sieht die Erweiterung des ursprünglichen Scopes vor. Betroffene Produkte sind weiterhin in Lose unterteilt. 20

21 Neue geplante EU Anforderungen an die Energieeffizienz von Pumpen In Brüssel sind Ende 2010 neue Lose definiert worden, die sich aus dem Mandat M/476 EN herleiten. Die dort erwähnten Produkte sind damit in den Scope des Eco-Design Gesetzgebungsverfahrens aufgenommen. Das betrifft sowohl Sondermotore und neue Antriebskonzepte als auch neue Pumpen Anwendungen! Neue Lose für Pumpen - Los 28: Pumpen (erweiterter Produktansatz einschließlich Motoren, Regelantriebe (VSD) und Steuereinheiten, wo anwendbar) für private und öffentliche Abwässer (einschließlich aller Abschnitte einschließlich Gebäude, Leitungsnetze und Behandlungsanlagen) und für Flüssigkeiten mit hohem Feststoffanteil. - Los 29: Pumpen (erweiterter Produktansatz einschließlich Motoren, Regelantriebe (VSD) und Steuereinheiten, wo anwendbar) für private und öffentliche Schwimmbecken, Teiche, Springbrunnen und Aquarien sowie Klarwasserpumpen, die größer als die unter Los 11 beschriebenen Pumpen sind. Zur weiteren Konkretisierung der jeweiligen Los - Gruppen werden Vorbereitungsstudien durchgeführt werden. Diese Studien sind Stand Oktober 2011 noch nicht an entsprechende Institute vergeben. 21

22 Neue geplante EU Anforderungen an die Energieeffizienz von Antrieben - Los 30: Produkte in Antriebssystemen außerhalb des Anwendungsbereichs der Verordnung 640/2009 (Los 11) wie Sondermotoren für Umrichterbetrieb (asynchrone Servomotoren), Dauermagnetmotoren, durch ihre Last gekühlte Motoren (Lüfter), einschließlich Motoren und Produkte gemäß Artikel 1 Ziffer 2 Buchstaben b, c und d sowie einschließlich Antrieben wie Sanftstarter, Drehmoment- oder Regelantriebe (VSD) von 200W-1 000kW. Zudem sind Motoren zu behandeln, die unter den Anwendungsbereich der Verordnung 640/2009 von 750kW- 1000kW fallen. - Los 31: Produkte in Antriebssystemen außerhalb des Anwendungsbereichs von Los 30 und Verordnung 640/2009 über Elektromotoren (Los 11), insbesondere Kompressoren, darunter kleine Kompressoren, und ihre etwaigen Antriebe. Zur weiteren Konkretisierung der jeweiligen Los - Gruppen werden auch hier Vorbereitungsstudien durchgeführt werden. 22

23 Zusammenfassung Die Auslegung des Pumpensystems ohne zu große Reserve garantiert zuverlässigen Betrieb und minimalen Energieverbrauch. IE2-Motoren bringen 1-3% Wirkungsgradvorteil, IE3-Motoren nochmals ca. 2% Mit dem KSB SuPremE-Motor sind je nach Lastprofil bis zu 10% Einsparung gegenüber IE3 möglich Drehzahlregelung von Pumpen ist bei variablem Betriebspunkt die energiesparendste Lösung. Durch sinnvolle Konzepte können die Systemkosten signifikant gesenkt werden. (System-Ansatz) Abdrehen von Laufrädern bringt bei konstanten Betriebsverhältnissen eine hohe Reduzierung des Stromverbrauchs ohne Mehrkosten. 23

24 Herzlichen Dank fürs Zuhören 24