Energieeinsparung mit Druckerhöhungsanlagen Bei einer Druckerhöhungsanlage entfallen 85 % der gesamten Betriebskosten alleine auf die Energiekosten. Unter die Betriebskosten fallen dabei der Anschaffungspreis, die Wartung- und die Servicekosten. Durch optimale Auslegung und innovativen Steuerungsoptionen bei Druckerhöhungsanlagen lassen sich erhebliche Betriebskosteneinsparungen erzielen. Eine alleinige Betrachtung des Pumpenwirkungsgrades spiegelt dabei nicht das gesamte Pumpensystem wieder, da folgende Kriterien in den Gesamtwirkungsgrad einfließen: Pumpenwirkungsgrad Motorwirkungsgrad Drehzahlregelung (Anwendungsabhängig) Veränderung des Motorwirkungsgrad bei Drehzahlregelung Steuerungsoptionen - Wirkungsgradoptimierter Pumpenwechsel - Alternative Sollwerte oder Proportionaldruckregelung - Energiesparmodus für den Schwachlastbetrieb Auslegung von Druckerhöhungsanlagen ηges Gesamtwirkungsgrad = Pumpenwirkungsgrad : Motorwirkungsgrad : Drehzahlregelung : Steuerungsoptionen : optimale Auslegung Im Folgenden wollen wir die verschiedenen Kriterien durchleuchten. Insbesondere auf die Steuerungsoptionen, die bisher in diesem Zusammenhang nur selten betrachtet werden, legen wir dabei den Fokus. Pumpenwirkungsgrad In Druckerhöhungsanlagen werden hauptsächlich vertikale mehrstufige Kreiselpumpen eingesetzt. Um einen hohen Pumpenwirkungsgrad zu erreichen, wird vorrangig folgende konstruktive Maßnahme verwendet: Reduzierung der Druckdifferenz zwischen den einzelnen Laufradkammern Eine vertikale Kreiselpumpe besitzt mehrere starre Laufradkammern mit den darin liegenden rotierenden Laufrädern. Ein Spaltring dichtet den Spalt zwischen den rotierenden Laufrädern und den starren Laufradkammern ab. Durch Verwendung von schwimmenden Teflonspaltringen werden die Reibungsverluste drastisch reduziert, da Teflon einen sehr geringen Reibungskoeffizienten besitzt. Durch die Minimierung des Spaltes auf 0,1mm kann auch weniger Wasser von der Kammer höheren Drucks in die Kammer niedrigeren Drucks gelangen, so wird der hydraulische Kurzschluss sehr gering gehalten. Durch die Minimierung des spezifischen Drucks eines Laufrades, wird der Differenzdruck zwischen den Kammern minimiert, welches ebenso zu einem geringeren hydraulischen Kurzschluss führt. Abb.1: Laufradkammer und Laufrad einer CR Hochdruckkreiselpumpe
Motorwirkungsgrad Speziell bei Elektromotoren sieht die Betrachtung der Betriebskosten noch dramatischer aus, als bei Pumpensystemen. Im Durchschnitt entfallen 97-99% der gesamten Betriebskosten bei Elektromotoren alleine auf die Energiekosten! Interessant ist folgender Vergleich: Nach welcher Zeit erreicht ein 3 kw Elektromotor bei Dauerbetrieb seinen Anschaffungspreis? Der Energiepreis soll 0,12Euro /kwh betragen. Der Preis des 3kW Motors liegt bei 160 Euro. 8760 h * 3 kw * 0,12 /kwh = 3154 Euro /Jahr So können bereits nach nur 19 Tagen die Energiekosten den Anschaffungspreis des Motors erreichen! Durch konstruktive Maßnahmen (z.b. erhöhter Kupferanteil in den Motorwicklungen) konnte der Wirkungsgrad von Elektromotoren deutlich erhöht werden. Drei Wirkungsgradklassen werden, gemäß Energy Policy and Conservation Act (EPACT) und European Commitee of Manufacturers of Electrical Machines and Power Electronics (CEMEP), bei Elektromotoren unterschieden: EFF1: Hocheffiziente Motoren EFF2: Wirkungsgradverbesserte Motoren EFF3: Standardmotoren Die Klassifizierung gilt für 2 und 4 polige Normmotore von 1,1-90kW Motorbemessungsleistung. Abb.2: Unterteilung der Wirkungsgradklassen von Elektromotoren Was lässt sich mit einem EFF1 Hocheffizienzmotor einsparen? EFF1 Motor: eta: 92,6% Standard Motor 90,5% Differenz (nur) 2,1% P auf :23,76 kw P auf :24,31 kw P Verlust :1,76kW P Verlust : 2,31kW 31% geringere Verluste Differenz der Energiekosten bei 0,12 Euro/kWh Differenz nach 5 Jahren Betriebszeit (8760h/a) 1000h = 66 Euro 3000h = 198 Euro 6000h = 396 Euro 8760h = 578 Euro 43800h = 2891 Euro
Vielfach übersteigen die Einsparungen eines EFF11 Motors sogar den Anschaffungspreis eines EFF2 Motors innerhalb kürzester Zeit, so dass selbst ein geschenkter EFF2-Motor die schlechtere Wahl ist. In den kommenden Jahren wird die EFF Kennzeichnung jedoch durch die neu entwickelte IEC Kennzeichnung nach IEC 60034-30 abgelöst werden. Dabei entspricht die neue Klasse IE2 im weitesten Sinne dem heutigen EFF1 Standard. Im Rahmen der IEC Kennzeichnung wird jedoch die heutige Begrenzung der EFF Kennzeichnung (Nur 2 und 4 polige Motoren von 1,1 bis 90 kw) aufgehoben und gleichzeitig neue Klassen (IE3 und IE4) definiert, die gegenüber EFF1 noch weitere Wirkungsgradverbesserungen bringen sollen. Drehzahlregelung Abb.3: Darstellung der Affinitätsverhältnisse bei Drehzahlregelung Würden Sie beim Autofahren gleichzeitig auf das Gaspedal und auf die Bremse treten, wenn Sie die Geschwindigkeit verringern wollen? Dieses unwirtschaftliche Prinzip wird aber häufig noch bei Pumpen angewendet. Hinter der drehzahlgeregelten Pumpe steht die Idee, eine elektronische Steuerung in die Pumpe zu integrieren, um ihre Leistung kontinuierlich den aktuellen Anlagenbedingungen anzupassen und damit den Energieverbrauch auf ein Minimum zu reduzieren. Durch die automatische Anpassung ihrer Drehzahl regelt die Pumpe kontinuierlich den Druck (Förderhöhe), so dass dieser optimal an den Förderstrom angepasst wird. Bei abnehmendem Förderstrom passt der Frequenzumrichter die Drehzahl der Pumpe an, bis die Sollförderhöhe wieder erreicht wird. Das Affinitätsgesetz zeigt einen eindeutigen Zusammenhang zwischen Drehzahl, Förderstrom, Förderhöhe und Leistungsbedarf. Bei einer Reduzierung der Drehzahl auf 50 % ergibt sich ein Förderstrom von 50 %, aber die Förderhöhe sinkt auf 25 %, und die benötigte Leistung sogar auf nur 12,5 %. Gerade bei sich verändernden Bedingungen, wie z.b. schwankenden Vordrücken und Abnahmemengen machen drehzahlgeregelte Systeme Sinn. Bei konstanten Bedingungen, wie z.b. Behälterfüllungen, sind ungeregelte Anlagen die bessere Alternative. Veränderung des Motorwirkungsgrad bei Drehzahlregelung Ein Elektromotor hat nicht in jedem Betriebsbereich einen gleich guten Wirkungsgrad. Diese Eigenschaft sollte speziell bei drehzahlgeregelten Motoren beachtet werden. Einen bestehenden EFF2 oder EFF3 Elektromotor mit einem Frequenzumformer nachzurüsten, kann fatale Auswirkungen auf den Wirkungsgrad und den Betriebskosten haben. Während der EFF1 Motor selbst im Teillastbereich einen gleich guten, wenn nicht besseren Wirkungsgrad besitzt, kann der Wirkungsgrad eines EFF2 oder EFF3 Motor im Teillastbereich stark abfallen.
Wirkungsgradvergleich eines EFF1/EFF3 Motor im Teillastbereich 100% 95% 90% Motorwirkungsgrad 85% 80% 75% 70% 65% EFF3 EFF1 60% 55% 50% 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% 110% P2 [%] Abb.4: Wirkungsgradvergleich eines EFF1/EFF3 Elektromotors im Teillastbereich Wie in Abb. 4 ersichtlich, fällt der Wirkungsgrad des EFF3 Motor im Teillastbereich deutlich ab. Der Wirkungsgrad des EFF1 Motors steigt sogar noch bei Drehzahlreduzierung. Diese Eigenschaft ist speziell bei drehzahlgeregelten Elektromotoren von Vorteil, da diese Motoren hauptsächlich im Teillastbereich betrieben werden. Im guten Glauben, mit einem nachträglich installierten Frequenzumrichter die Betriebskosten zu senken, tritt in diesem Fall genau das Gegenteil ein. Wenn eine ungeregelte Druckerhöhungsanlage in eine geregelte Variante umgebaut werden soll, sollte als Basis ein EFF1 Motor verwendet werden. Die Kosten für den zusätzlichen EFF1 Elektromotor amortisieren sich in kürzester Zeit. Energieeinsparung mit Steuerungsoptionen Bisher wurden Steuerungsoptionen und Energieeinsparungen nicht in Verbindung gebracht, obwohl damit ein erheblicher Anteil an Betriebskosten gesenkt werden können. Wirkungsgradoptimierte Pumpenschaltung dank hinterlegter Pumpenkennlinien in der Steuerung Bei herkömmlichen Druckerhöhungsanlagen wird mit einer geregelten Führungspumpe begonnen, die versucht den Bedarf der Anlage zu decken. Ist diese nahe 100% ihrer Drehzahl angekommen, so geht die Steuerung davon aus, dass die Anlage mehr Volumenstrom benötigt. Hier wird nun die nächste Pumpe hinzugeschaltet. Beide Pumpen werden nun synchron angesteuert, um mit derselben Drehzahl zu fahren. Dazu wird zunächst das Drehzahlstellsignal zurückgenommen und der Regler fängt erneut an, die Drehzahlen der beiden Pumpen auf den Bedarf der Anlage anzupassen. Fraglich ist nun, ob der ideale Umschaltpunkt, an dem man die zweite, dritte oder auch vierte Pumpe hinzuschaltet, immer dann erreicht ist, wenn die schon in Betrieb befindlichen Pumpen ihre maximale Drehzahl erreicht haben. Dies ist meist genau nicht der Fall. Abb.5: Kaskadenszenario einer Druckerhöhungsanlage mit hinterlegten Pumpenkennliniendaten in der Steuerung
Wie in dem oberen Beispiel erfolgt der Umschaltpunkt bereits bei 94% Drehzahl, da darüber hinaus der Wirkungsgrad der Einzelpumpe schlechter ist als zwei Pumpen im Parallelbetrieb (rote Verlängerung der unteren Wirkungsgradkurve). Durch Laden einer kompletten Pumpenkennliniendatei im Frequenzumformer/Steuerung, erkennt die Steuerung exakt den momentanen Betriebspunkt der Pumpen und der Gesamtanlage. Über den Differenzdruck der Anlage, gemessen durch den Istwert auf der Druckseite und des Vordrucks aus der Wassermangelsicherung (mittels analogem Drucksensor), ermittelt die Steuerung der Druckerhöhungsanlage exakt den Betriebspunkt. Durch ein in der Pumpenkennliniendatei hinterlegtes Wirkungsgradkennfeld kann die Steuerung so zu jedem Betriebspunkt eine optimale Pumpenzu- /abschaltung realisieren. Ein weiterer Vorteil dieser Ansteuerung ist die rechnerische Ermittlung des momentanen Volumenstroms, der für weitere Steuerungsfunktionen verwendet wird, ohne einen externen Volumenstrommesser zu installieren (siehe Proportionaldruckreelung). Bei herkömmlichen Druckerhöhungsanlagen steht meist nur ein analoges Führungssignal (z.b. 0-10 V) für die Drehzahl aller Pumpen zur Verfügung. Die Anzahl der in Betrieb befindlichen Pumpen wird über ein digitales Freigabesignal für jede Pumpe realisiert. Werden die drehzahlgeregeltem Pumpen jedoch mit einem Bussignal angesteuert, so können die Pumpen individuell in Ihrer Drehzahl betrieben werden. Dies ist speziell bei der Pumpenzu-/abschaltung sinnvoll, da so Druckschläge vermieden werden. Während die Pumpe 3 (blaue Drehzahlkurve) in das System einfährt, reduziert Pumpe 1 (rote Drehzahlkurve) bereits ihre Drehzahl, so dass beide Pumpe sanft in das System einfahren. Abb.6: Sanfte Zu-/Abschaltung von drehzahlgeregelten Pumpen mittels Einzelsignalansteuerung
So wenig Druck wie nötig > Alternative Sollwerte oder Proportionaldruck Druckerzeugung kostet Energie und Geld, deswegen sollte den Sollwert der Druckerhöhungsanlage so gering wie nötig gehalten werden. Für diesen Zweck stehen 2 Funktionen zur Verfügung: 1. Alternative Sollwerte, aktiviert über Digitaleingang oder Zeitschaltuhr In manchen Versorgungsgebieten, in denen sich industrielle Abnehmer befinden, wird an den Wochenenden nur wenig Druck benötigt. Hier kann der Sollwert über die Zeitschaltuhr an gewissen Tagen und zu bestimmten Uhrzeiten den Sollwert der Anlage senken. Auch in Bewässerungssystemen, die eine hohe Leckagerate besitzen, kann der Sollwert in den Zeiten wo nicht bewässert wird, auf ein Minimum abgesenkt werden. Durch den geringen Druck in den Leitungen sinkt die Leckagerate auf ein Minimum ab, was zu Senkung von Energiekosten und Wassereinsparung führt. Findet eine Aufbereitung des Wassers statt, lassen sich durch die reduzierten Drücke, analog geringeren Wasserverluste, ebenfalls Energie einsparen. Abb.7: Einstellung der Sollwerte mittels integrierter Zeitschaltuhr 2. Proportionaldruckregelung Neben der Konstantdruckregelung von Druckerhöhungsanlagen, findet immer mehr die Proportionaldruckregelung Anwendung. Speziell bei langen Zubringerleitungen macht die Proportionaldruckregelung Sinn. Soll in einem Versorgungsgebiet der Netzdruck 5 bar betragen, und der Druckverlust in der Zubringerleitung beträgt bei Q max. 1 bar, muss an der Druckerhöhungsanlage ein Sollwert von 6 bar eingestellt werden. Was aber bei geringeren Volumenströmen, bei dem der Druckverlust in der Zubringerleitung nur 0,1 bar beträgt? Nun herrscht im Versorgungsnetz ein Druck von 5.9 bar! Bei der Proportionaldruckregelung wird der Sollwert der Anlage mit dem Volumenstrom geführt. Bei hohen Volumenströmen beträgt der Sollwert der Anlage 6 bar, bei sinkenden Volumenströmen reduziert die Anlage den Solldruck quadratisch (analog dem Druckverlust in der Zubringerleitung) auf 5,1 bar. In modernen Regelungen können hier die oberen und unteren Sollwertpunkte festgelegt werden. Der Regler ermittelt dann den quadratischen Verlauf der Sollwertkurve zwischen diesen beiden Punkten und kompensiert die Druckverluste in der Zubringerleitung. Für die Ermittlung des Volumenstroms muss normalerweise ein Volumenstrommesser an die Steuerung der Druckerhöhungsanlage installiert werden, bei modernen Steuerungen wird der Volumenstrom über eine hinterlegte Pumpenkennliniendatei rechnerisch ermittelt. So kann auf einen externen Volumenstrommesser verzichtet werden. Abb.8: Unterschied zwischen Konstantdruck- (links)und Proportionaldruckregelung (rechts) Was lässt sich mit der Proportionaldruckregelung einsparen? Beispiel: Q=100 m 3 /h; H= 6 bar; Druckverlust in der Zubringerleitung: 0,8 bar (~16% vom Sollwert bei Qmax) Energiekosten: 0,13 /kwh
Ohne Proportionaldruckregelung: Mit Proportionaldruckregelung: 10040 /a 9070 /a Nur durch alleinige die Nutzung einer Steuerungsfunktion lassen sich, wie im oberen Beispiel, jährlich rund 1000 einsparen. Dank der internen Volumenstromberechnung wird für diese Funktion kein externer Volumenstrommesser benötigt, was ebenso zu einer Kosteneinsparung führt. Energiesparmodus für den Schwachlastbetrieb Je nach Belastungsprofil muss die Anlage mit einer definierten Pumpenanzahl und -größen ausgelegt werden. Hier können Berechnungsprogramme eine große Hilfe leisten, bei denen ein Belastungsprofil für die Berechnung eingegeben werden kann, und das Programm mit mehreren Simulationen die optimale Anlage bestimmt. Generell kann gesagt werden, dass die Baugröße von drehzahlgeregelten Pumpen so groß wie möglich gehalten werden soll, da eine große Pumpe, aufgrund der Laufradgeometrie, einen besseren Wirkungsgrad hat als eine kleine Pumpe. Selbst bei Teillast (FU Betrieb) kann eine größere Pumpe einen besseren Wirkungsgrad haben als eine kleine Pumpe bei Vollast. Was aber bei Kleinstabnahmen in der Nacht? Hier gibt es zwei Möglichkeiten den Energiebedarf zu senken: 1. Pilotpumpe Installation einer kleinen Pilotpumpe, die die Kleinstabnahmen versorgt. Sobald die letzte in Betrieb befindliche Hauptpumpe ihren optimalen Wirkungsgradbereich nach unten hin verlässt, wird die kleinere Pilotpumpe aktiviert. Diese Möglichkeit sollte gewählt werden, wenn die Spreizung zwischen Qmax und Qmin relativ groß ist. Lässt man die Größe des Membrandruckbehälters außer Acht, ist die untere Regelungsvariante (Energiesparmodus) immer die effizientere Lösung. 2. Energiesparmodus Der Energiesparmodus arbeitet ähnlich wie ein Hybridfahrzeug, bei dem ein Verbrennungsmotor und ein Elektromotor installiert sind. Während Autobahnfahrten arbeitet der Verbrennungsmotor in einem optimalen Wirkungsgradbereich und lädt die Batterie. Bei geringen Geschwindigkeiten schaltet sich der Verbrennungsmotor ab, und das Fahrzeug wird vom Elektromotor/Akku angetrieben, bei dem Energie unter einem besseren Wirkungsgrad gespeichert wurde. Bei Druckerhöhungsanlagen mit Energiesparmodus sind ebenfalls zwei Systeme in einem vereint: Ein drehzahlgeregeltes System für die Versorgung während der Hauptabnahme Ein drehzahlgeregeltes System, welches ungeregelt (die drehzahlgeregelte Pumpe wird nur 0%/100% betrieben) für die Versorgung von Kleinstabnahmen betrieben wird.
Reduziert sich die Abnahme bei der letzten in Betrieb befindlichen Pumpe, so sinkt analog der Wirkungsgrad dieser Pumpe. Gerade in Situationen wo über eine längere Zeit Kleinstabnahmen versorgt werden müssen (echte Rohrverluste, Kleinstabnehmer,..), arbeitet das System unwirtschaftlich. Was gibt es nun für Möglichkeiten den Wirkungsgrad des Systems zu verbessern? Wenn der Volumenstrom erhöht werden könnte, würde die Druckerhöhungsanlage wieder in einem besseren Wirkungsgradbereich arbeiten. Wie aber den Volumenstrom erhöhen, wenn die Abnehmer nicht mehr Wasser abnehmen wollen? Eine Speicherung von Wasser unter einem höheren Wirkungsgrad wäre optimal, und das genau macht der Energiesparmodus. Abb.9: Abfallender Pumpenwirkungsgrad bei Kleinstabnahmen Sinkt der Volumenstrom bei der letzten in Betrieb befindlichen Pumpe bis zu einem frei definierbaren Umschaltpunkt, so wird die drehzahlgeregelte Pumpe in einen ungeregelten Kaskadenbetrieb geschaltet. Durch das nun zu Verfügung stehende Ein/Aus Druckband (p aus - p ein ) kann die Druckerhöhungsanlage bei einem höheren Volumenstrom, analog besseren Wirkungsgrad, Wasser in einen Membrandruckbehälter speichern. Wird p aus (Ausschaltdruck) erreicht, schaltet die Anlage die Pumpe aus. Nun werden die Kleinstabnahmen mit dem Wasser, welches unter einem besseren Wirkungsgrad im Membrandruckbehälter gespeichert wurde, versorgt. Wird der p ein (Einschaltdruck) erreicht, schaltet die Steuerung die drehzahlgeregelte Pumpe mit 100 % Drehzahl zu, um den Membrandruckbehälter bei einem hohen Wirkungsgrad wieder zu befüllen. Bei steigender Abnahme wird der Umschaltpunkt erreicht und die Anlage schaltet wieder in den Konstantdruckmodus um. Durch diese Steuerungsoption lassen sich die Energiekosten ebenfalls beträchtlich senken, ein Abstrich an Komfort im Kaskadenbetrieb ist nicht zu befürchten, da z.b. Leckagen o.ä. nicht komfortabel mit Konstantdruck versorgt werden müssen. Was lässt sich mit dem Energiesparmodus einsparen? Q: 30m 3 /h; H:50m t: 5500 h/a Ein/Aus Band: 1,5 bar
Ohne Energiesparmodus und 18 l Membrandruckbehälter Mit Energiesparmodus und 80 l Membrandruckbehälter 13558 kwh 10807 kwh Auch mit dieser Steuerungsfunktion lassen sich die Energiekosten einer Druckerhöhungsanlage deutlich senken. Für eine optimale Energiesparfunktion sollte der Membrandruckbehälter ein wenig größer wie üblich ausgelegt werden, da bei einem 18l Membrandruckbehälter die Pumpe nicht weit zu höheren Volumenströmen (analog höherer Wirkungsgrad) betrieben werden kann, da relativ früh der p aus (Ausschaltdruck) erreicht wird. Ob nun ein 18l oder 80 l Membrandruckbehälter installiert ist, hat keinen Einfluss auf den Regelkomfort der Druckerhöhungsanlage, der einzige Unterschied ist die effizientere Betriebsweise bei Teillastbereichen mit dem größeren Membrandruckbehälter in Kombination mit dem Energiesparmodus. Auslegung von Druckerhöhungsanlagen Die Notwendigkeit, dass sich eine Pumpenanlage an wechselnden Bedarf anpassen muss, ist unbestritten. Das beste Konzept besteht darin, die Volllast im Parallelbetrieb mehrerer Pumpen zu fördern. Bei Teillast werden dann entsprechend Pumpen weggeschaltet. Die beste Planungsgrundlage ist sicherlich ein gemessenes Lastprofil. Danach werden die Pumpen so ausgewählt, dass bei den am häufigsten vorkommenden Verbrauchswerten günstige Wirkungsgrade erzielt werden. Die Vorausberechnung des Energieverbrauchs ist ein aufwendiger Prozess, wofür jedoch von den Herstellern geeignete Computerprogramme angeboten werden. Ein Pumpenauslegungsprogramm muss nicht nur den Betriebspunkt berücksichtigen, sondern auch Randbedingungen berücksichtigen. In einschlägigen Normen sind z.b. Grenzwerte für zulässige Strömungsgeschwindigkeiten, aber auch maximale Fließgeschwindigkeitsänderungen durch Pumpenzu-/abschaltung genannt. Aber auch anlagenspezifische Werte wie die maximale Schalthäufigkeit sind zu beachten.
Abb.10: Grundfos Auslegungsprogramm WebCaps Fazit: Wurden bisher bei der Betrachtung der Energiekosten bei Druckerhöhungsanlagen nur der Pumpenwirkungsgrad und/oder der Motorwirkungsgrad betrachtet, lassen sich durch die in dem Artikel genannten Punkte deutlichere Einsparungen erzielen. Speziell durch Drehzahlregelung in Kombination mit EFF1 Motoren und Steuerungsoptionen lassen sich die Betriebskosten deutlich reduzieren. Für die optimale Auslegung von Druckerhöhungsanlagen stehen professionelle Auslegungsprogramme zur Verfügung, die eine optimale und wirtschaftliche Auswahl sicherstellen.