Ratgeber Pumpen und Pumpensysteme für Industrie und Gewerbe.
Inhalt. Lebenszykluskosten. Einführung zu Lebenszykluskosten Kostenarten und Einflussfaktoren. 3 Systemkomponenten und Energiebedarf. Einführung zu Systemkomponenten und Energiebedarf Wirkungsgrade Energiefluss durch die Systemkomponenten Wechselwirkungen. 8 Kostenoptimierte Planung und Bau. Einführung zur kostenoptimierten Planung und zum Bau neuer Pumpensysteme Möglichkeiten zur Kostensenkung. 12 Optimierung bestehender Anlagen. Einführung zur Optimierung bestehender Anlagen von Pumpensystemen Bestandsaufnahme Verbesserungsmaßnahmen. 16 Auslegung von Rohrleitungen. Einführung zur Auslegung von Rohrleitungssystemen Strömungsgeschwingigkeit und Leistungsbedarf Wahl des Rohrleitungsdurchmessers. 20 Auswahl und Regelung. Einführung zur Auswahl der Pumpe Pumpenkennlinien Laufraddurchmesser Antrieb Regelung von Pumpensystemen An- / Ausregelung Drosselregelung Bypass-Regelung Drehzahlregelung Sonstige Regelungsmechanismen. 24 Einbindung und Steuerung von Pumpenantrieben. Einbindung des Motors in das Pumpensystem Kraftübertragung Welche Motoren sind für Pumpenantriebe geeignet? Leistungselektronik Wechselwirkungen zwischen Frequenzumrichter, Motor und Stromnetz. 33 Sicherheit, Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit. Einführung zur Sicherheit, Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit von Pumpensystemen Auswahl der Pumpe Kostenaspekte. 37 Einbau und Betrieb. Einführung zum Einbau und Betrieb von Pumpensystemen Kritische Betriebszustände Erlaubter Betriebsbereich Einbau der Pumpe und Gestaltung des Pumpenzulaufs. 41 Wartung und Instandhaltung. Einführung zur Wartung und Instandhaltung bei Pumpensystemen Wartung Inspektion Instandsetzung und Verbesserung Instandhaltungsstrategien Strategie der verbessernden Instandsetzung Kostenaspekte der Instandhaltung. 44 Überwachung und Diagnose. Einführung zur Überwachung und Diagnose von Pumpensystemen Messgrößen und Auswertungsverfahren Aufbau eines Online-Diagnosesystems. 49 Messtechnik. Druckmessung Durchflussmessung Thermometer und Stethoskop Schwingungsmessung. 54 E n e r g i e E f f i z i e n z l o h n t s i c h.
Lebenszykluskosten. Einführung zu Lebenszykluskosten. Bei der Frage: Was kostet diese Pumpe? denken viele Menschen spontan an den Einkaufspreis für das entsprechende Gerät. Dieser Umstand trifft zwar im Prinzip auf alle Maschinen zu bei Pumpen sind aber die Folgekosten im Vergleich zum Einkaufspreis überdurchschnittlich hoch. Pumpen sind als standardisierte Maschinen im Einstandspreis oft relativ günstig, verursachen aber aufgrund ihrer bisweilen besonders langen Laufzeiten während ihres Betriebs weitere Kosten, wie z. B. die Energie- und Instandhaltungskosten, die oftmals nicht berücksichtigt werden. Hinzu kommt, dass sie als Herz einer Anlage bei einem Defekt die gesamte Produktion zum Stillstand bringen können. Der Zuverlässigkeit kommt also unter Kostengesichtspunkten ein ganz besonderer Stellenwert zu. Nicht alle Kosten werden allein durch das Pumpenaggregat bestimmt. Vielmehr kommt es auf eine genaue Abstimmung und Optimierung aller Komponenten im System an. Die Einflüsse der verschiedenen Parameter auf die einzelnen Kostenarten sind so komplex, dass es schwierig sein wird, ohne eine systematische Herangehensweise das Optimum zu finden. Eine mögliche Systematik bietet die in den USA entwickelte Methode der Lebenszykluskosten-Analyse. Das Europäische Sektor Komitee Europump und der amerikanische Verband Hydraulic Institute haben diesen Ansatz für Pumpensysteme angepasst und dabei in ihrem Leitfaden: Pumpen Lebens-Zyklus-Kosten zu diesem Thema folgende Kostenblöcke ausgewählt: Je nach Anwendungsfall kann es sinnvoll sein, noch weitere Kostenblöcke zu definieren. Bei Produktionsanlagen in der Chemie-, Pharma- oder Lebensmittelindustrie empfiehlt es sich, folgende Kosten als gesonderte Blöcke hinzuzufügen: cleaning-in-place costs quality costs Reinigungskosten Qualitätskosten Die einzelnen Kostenarten werden weiter unten erläutert. Bei der Planung des Pumpensystems sollte zunächst überschlägig berechnet werden, welche dieser Kostenblöcke von der Größe her relevant sind und auch durch mögliche Auslegungsalternativen beeinflusst werden können. Wichtig ist, dass beim Vergleich verschiedener Systeme immer die gleichen Kostenarten betrachtet und nach der gleichen Methodik sowie mit demselben Leistungsumfang berechnet werden. Die Lebenszykluskosten (LCC) ergeben sich dann als Summe der diskontierten Gegenwartswerte aller ausgewählten Kostenarten. LCC = Cic + Cin + Ce + Co + Cm + Cs + Cenv + Ccip + Cqu + Cd investment costs installation costs energy costs operation costs maintenance costs downtime costs environmental costs disposal costs Investitionskosten Installationskosten Energiekosten Bedienungskosten Instandhaltungskosten Produktionsausfall kosten Umweltschutzkosten Außerbetriebnahmekosten E n e r g i e E f f i z i e n z l o h n t s i c h.
Lebenszykluskosten. Kostenarten und Einflussfaktoren. Investitionskosten Cic Zu den Investitions- bzw. Anschaffungskosten werden in der Regel nur die Einkaufskosten gezählt, die vor der Inbetriebnahme des Systems anfallen. Diese umfassen die Einkaufskosten für die einzelnen Komponenten und möglicherweise eine Erstausstattung an Ersatzteilen. Dazu kommen noch die Planungskosten, die Kosten des Einkaufsprozesses und eventuell notwendige Qualifizierungsmaßnahmen für das Personal. Gegebenenfalls müssen noch die Kosten für Hilfsdienste sowie die Anschaffungskosten für die Überwachungs- und Prozessleittechnik hinzugerechnet werden. Die Grenzen sollten hier pragmatisch so gezogen werden, dass nur die Faktoren hinzugezählt werden, die bei den zu vergleichenden Alternativen tatsächlich variieren. Wichtig ist aber, dass die Systematik in allen Fällen gleich bleibt. Eine detailliertere Aufschlüsselung der Anschaffungskosten findet sich im VDMA-Einheitsblatt 34160 Prognosemodell für die Lebenszykluskosten von Maschinen und Anlagen. Der gewählte Rohrleitungsdurchmesser hat einen entscheidenden Einfluss auf die Investitionskosten. Die Kosten für Rohrmaterial und Armaturen steigen mit dem Durchmesser. Auf der anderen Seite sinkt mit zunehmendem Durchmesser der Leistungsbedarf der Pumpe, sodass diese preiswerter wird, genauso wie der dazugehörige Motor und die Leistungselektronik. Installationskosten Cin Zu den Installationskosten zählen die Kosten für Montage und Inbetriebnahme der Gesamtanlage bzw. der auszutauschenden Komponenten in einer bestehenden Anlage. Wenn für die Installation Fremdleistungen hinzugezogen werden, ist besonders darauf zu achten, dass für die verschiedenen Alternativen die Vergleichsbasis übereinstimmt. Der Umfang der externen und internen Leistungen sollte bei den zu vergleichenden Alternativen gleich angesetzt werden, es sei denn, technische Details machen bei einer Anlage eine Fremdinstallation notwendig, während das bei der Auslegungsalternative nicht der Fall ist. Wenn in einem Fall eine Fremdfirma installiert und im anderen Fall nicht, muss ein sinnvoller Stundensatz für die Eigenleistungen gewählt oder abgeschätzt werden, (einer Fremdinstallation entsprechend) damit die Lebenszykluskosten-Analyse nicht verfälscht wird. Eine detaillierte Aufschlüsselung der Installations- und Inbetriebnahmekosten für Maschinen und Anlagen im Allgemeinen findet sich im VDMA-Einheitsblatt 34160 Prognosemodell für die Lebenszykluskosten von Maschinen und Anlagen. Ein anderer wesentlicher Punkt ist die Qualität der ausgewählten Werkstoffe. Geringe Rauigkeit, korrosionsbeständiges und verschleißarmes Material sowie hochwertige Komponenten, die bei den anderen Kostenblöcken zu deutlichen Reduzierungen führen, müssen bei den Investitionskosten durch einen in der Regel höheren Einkaufspreis berücksichtigt werden. Bezüglich der Sicherheit und Zuverlässigkeit gibt es verschiedene Planungsalternativen, wie redundante Systeme oder Überwachungsvorrichtungen und vorbeugende Instandhaltung, deren Investitionskosten in verschiedenen Lebenszykluskosten-Analysen verglichen werden müssen. Weitere Informationen hierzu finden sich in den Abschnitten Sicherheit und Zuverlässigkeit, Wartung und Instandhaltung sowie Überwachung und Diagnose. Mit Blockpumpen auf Fundamente verzichten und Installationszeiten verkürzen. E n e r g i e E f f i z i e n z l o h n t s i c h. 4
Lebenszykluskosten. Energiekosten Ce Die Energiekosten sind oftmals der größte Ausgabenposten, der durch ein Pumpensystem verursacht wird. Die Energiekosten sind das Produkt aus Energieverbrauch und dem Energiepreis. In der Regel ist dies der Strompreis. Der Energieverbrauch hängt von der Förderaufgabe und dem Wirkungsgrad des Gesamtsystems ab. Näheres dazu findet sich im Abschnitt Systemkomponenten und Energiebedarf. Insbesondere bei Heizungspumpen stellen die Energiekosten alle anderen Kostenarten in den Hintergrund und sollten vorrangiges Auswahlkriterium sein. Falls die Leistungsaufnahme des Pumpenmotors bekannt ist, und die Pumpe konstant in einem Betriebspunkt arbeitet, lässt sich der Jahresverbrauch einfach aus der Anzahl der Jahresbetriebsstunden errechnen. Schwieriger wird es, wenn die Förderleistung nicht konstant ist. Da auch der Wirkungsgrad des Gesamtsystems vom Förderstrom abhängt, muss im Prinzip für jeden Betriebspunkt die Leistungsaufnahme berechnet und entsprechend der Zeitanteile, die die Pumpe in diesen Betriebspunkten fährt, über das Jahr aufsummiert werden. Bedienungskosten Co Zu den Bedienungskosten werden nach dem Leitfaden von Hydraulic Institute und Europump die Personalkosten für den normalen, ungestörten Betrieb gezählt. Sie hängen stark davon ab, welcher Überwachungsaufwand für die Pumpe notwendig ist und ob die Überwachung über ein Zentralsystem oder mobil vor Ort erfolgt. Einige Hinweise dazu finden sich im Abschnitt Überwachung und Diagnose. Wenn die Inspektionen Teil einer vorbeugenden Instandhaltung sind, kann es unter Umständen sinnvoll sein, die Bedienungskosten mit den Instandhaltungskosten zusammenzufassen. Abweichend vom Europump-Leitfaden könnte man den Bedienungskosten noch einen Kostenanteil Prozessautomatisierung zuschlagen. Da die Energiepreise einer starken Inflation unterworfen sind, muss diese für den Lebenszyklus abgeschätzt werden. Gleichzeitig werden aber Zahlungen, die in der Zukunft zu leisten sind, durch einen Diskontierungsfaktor im Gegenwartswert weniger stark gewichtet. Vereinfachend können Energiepreisanstieg und Diskontsatz gegeneinander zu null verrechnet werden. Dann ergeben sich die Lebenszyklus- Energiekosten als Produkt aus Lebensdauer und Jahresenergiekosten. Alte Pumpen verursachen unnötige Energiekosten. E n e r g i e E f f i z i e n z l o h n t s i c h.
Lebenszykluskosten. Instandhaltungskosten Cm Zu den Instandhaltungskosten gehören die normalen Wartungsarbeiten, wie das Reinigen und Schmieren, die geplante vorbeugende Instandhaltung und die korrektive Instandsetzung bei Pumpendefekten. Näheres dazu findet sich im Abschnitt Wartung und Instandhaltung. Die Kosten für Wartung und eine intervallabhängige vorbeugende Instandhaltung sind das Produkt von Instandhaltungsfrequenz und der Summe aus Material- und Personalaufwand pro Instandhaltung. Wenn es unterschiedliche Wartungsprozeduren wie Routinewartung und Generalrevision gibt, empfiehlt es sich, diese Kosten getrennt zu berechnen. Die Kosten für eine zustandsabhängige oder für eine korrektive Instandhaltung ergeben sich analog aus dem Produkt von Schadenshäufigkeit und der Summe aus Material- und Personalaufwand. Bei der zustandsabhängigen Instandhaltung sind gegebenenfalls die Überwachungs- respektive Inspektionskosten hinzuzurechnen, sofern diese nicht in anderen Kostenblöcken, wie z. B. den Bedienungskosten, erfasst sind. Bei der korrektiven Instandsetzung ist zu überlegen, ob bei den Personalkosten zu einem gewissen Anteil Sonntagsund Nachtarbeitszuschläge hinzugerechnet werden müssen. Die Reparaturdauer wird normalerweise nur in Bezug auf die Personalkosten berücksichtigt. Der Produktionsausfall kommt nur dann hinzu, wenn dieser nicht in einem eigenen Kostenblock veranschlagt wird. Die Schadenshäufigkeit muss abgeschätzt werden. Sie ist in manchen Fällen als statistischer Wert MTBF (Mean time between failures = durchschnittlicher Ausfallabstand) für die einzelnen Komponenten vom Hersteller erhältlich. Allerdings beruhen diese Werte auf Testbedingungen. Die tatsächliche Schadenshäufigkeit hängt sehr stark von den realen Bedingungen ab. Da diese nicht mit Sicherheit vorausgesagt werden können, ist es sinnvoll, Szenarien für den günstigsten und den schlechtesten Fall zu berechnen. Eine höhere Voraussagesicherheit hat man, wenn aus dem Anlagenbetrieb bereits Erfahrungen mit der Schadenshäufigkeit vorliegen, die als Referenz für eine Optimierung der Instandhaltungsstrategie, für Verbesserungsmaßnahmen oder für die Installation eines Überwachungssystems genutzt werden können. Weitere Informationen zum Thema Zuverlässigkeit finden sich im Abschnitt Sicherheit, Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit. Detailliertere Aufschlüsselungen der Kostenelemente finden sich in der VDI-Richtlinie 2885 Einheitliche Daten für die Instandhaltungsplanung und Ermittlung von Instandhaltungskosten und im VDMA-Einheitsblatt 34160 Prognosemodell für die Lebenszykluskosten von Maschinen und Anlagen. Produktionsausfallkosten Cs Die Kosten von ungeplanten Produktionsausfällen aufgrund von Pumpendefekten können leicht zum größten Posten in den Lebenszykluskosten avancieren. Aus diesem Grund wird einer hohen Verfügbarkeit der Pumpen von vielen Betreibern allerhöchste Priorität eingeräumt. Informationen zum Thema Verfügbarkeit finden sich im Abschnitt Sicherheit, Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit. Definitionen der relevanten Größen finden sich in der VDI-Richtlinie 3423 Verfügbarkeit von Maschinen und Anlagen. Die Kosten von ungeplanten Ausfällen ergeben sich aus dem Produkt von Schadenshäufigkeit, Reparaturdauer und dem Produktionswert pro Zeiteinheit. In manchen Fällen müssen Vertragsstrafen für Lieferausfälle hinzugerechnet werden. Bei geplanten Instandhaltungen ist der Produktionsausfall nur anteilig zu berechnen, wenn während dieser Zeit mehrere Maschinen gewartet werden. Bei Instandhaltungen in ohnehin produktionsfreien Zeiten sind selbstverständlich keine Ausfallkosten zu berechnen. Umweltkosten Cenv Zu den Umweltkosten zählen die Entsorgungskosten von Hilfsstoffen, auszutauschenden Bauteilen und gegebenenfalls von nicht verkaufbarem Produkt bei Fehlproduktionen aufgrund von Bauteilversagen. Bei gefährlichen Fördermedien müssen zusätzlich die Kosten eines größeren Unfalls mit Umweltauswirkungen multipliziert mit der Eintrittswahrscheinlichkeit während der Lebensdauer hinzugezählt werden. In vielen Fällen reduzieren Maßnahmen, die die Zuverlässigkeit und die Haltbarkeit des Pumpensystems erhöhen, die Umweltkosten. E n e r g i e E f f i z i e n z l o h n t s i c h. 6
Lebenszykluskosten. Reinigungskosten Ccip Viele Produktionsanlagen in der Chemie-, Pharma- und Lebensmittelindustrie müssen regelmäßig gereinigt werden. Man spricht von Cleaning in Place (CIP), wenn die Reinigung vor Ort, automatisch und ohne Demontage erfolgt. Dafür werden die Rohrleitungen, Behälter und Einbauten teilweise mehrmals täglich für eine bestimmte Zeit von einer Reinigungsflüssigkeit durchspült. Während dieser Zeit kann keine Produktion stattfinden. Zusätzlich entstehen Kosten für die Aufbereitung oder Entsorgung des Reinigungsmediums sowie Energiekosten, da die Reinigung bei hohen Temperaturen stattfindet. Außerdem geht bei jeder Reinigung ein Teil des Produkts verloren, der sich noch in der Rohrleitung befindet. geplanten Unterbrechungen sich anders auf die Produktionskosten auswirken als ungeplante Produktionsausfälle und zudem die Energiekosten teilweise an anderer Stelle entstehen, ist es sinnvoll, diese Kosten in einem gesonderten Block zusammenzufassen. Auf diese Weise spiegelt sich auch besser wider, welche Auswirkungen eine Planungsalternative auf die CIP-Fähigkeit der Anlage hat. Die CIP-Kosten berechnen sich pro Reinigung als Produkt aus CIP-Dauer und Energieaufwand zuzüglich des Verbrauchs an Reinigungsflüssigkeit und des Verlusts an Produkt. Zusätzlich sind gegebenenfalls einmalig Kosten für die Neuerrichtung oder den Umbau der CIP-Anlage hinzuzurechnen. Der Aufwand für die Reinigung ist stark vom Design der Anlage und den einzelnen Bauteilen abhängig. Da diese Abb. 1: Cleaning in Place (CIP-Anlage) CIP-Rücklauf Dampf CIP-Vorlauf Spülwassersammler Spülwasservorlage Reinigungsmittel Sieb Kondensatrücklauf Chemikalieneinspeisung Rohrbündel- Wärmetauscher Entleerungsventil optional Abwasseransaugleitung Qualitätskosten Cqu Jede Pumpe und jedes Rohrleitungssystem hat in irgendeiner Form Auswirkungen auf das Fördergut. So steigt z. B. durch den Leistungseintrag die Temperatur des Förderguts. Dadurch kann sich die Anzahl der in der Anlage befindlichen Mikroorganismen erhöhen. In Produktionsanlagen können der Leistungseintrag und die Mikroorganismen die Qualität des Produkts beeinflussen, sei es durch Verkürzung der Haltbarkeit oder Änderung sonstiger Produkteigenschaften. Zusätzlich können durch Leckagen von Schmiermittel sowie Abrieb von Dichtungen und festen Bauteilen Fremdstoffe in das Produkt gelangen. Dadurch kann für das Produkt möglicherweise nur noch ein geringerer Verkaufspreis erzielt werden, als wenn diese Beeinflussung nicht stattgefunden hätte oder es werden nachgeschaltete Behandlungsstufen notwendig. Bei vielen Pumpen in der Lebensmittelindustrie ist die Produktschonung neben der Zuverlässigkeit vorrangiges Auswahlkriterium. Als Qualitätskosten können die Kosten für diese zusätzlich notwendigen Behandlungsschritte und die Wertminderung des Produkts angesetzt werden. Diese sind im Vergleich zu dem theoretischen Referenzfall zu bewerten, dass die Anlage keinen ungewollten Einfluss auf das Produkt hätte. Außerbetriebnahmekosten Cd Zu den Außerbetriebnahmekosten zählen die Kosten für die Demontage der Anlage, Entsorgung der ausgedienten Teile und gegebenenfalls die Wiederherstellung des ursprünglichen Zustands. Wie bei allen anderen Kostenarten ist bei den Außerbetriebnahmekosten der Betrag dann mit einem Diskontierungsfaktor auf den Gegenwartswert umzurechnen. Dieses Rechenverfahren ist im Ratgeber Druckluftsysteme für Industrie und Gewerbe beschrieben. Dieses finden sie im Internet als Download unter www.industrie-energieeffizienz.de E n e r g i e E f f i z i e n z l o h n t s i c h.
Systemkomponenten und Energiebedarf. Einführung zu Systemkomponenten und Energiebedarf. Ein Pumpensystem besteht in der Regel aus Behältern (Tanks oder Becken), Rohrleitungen, Armaturen, Messgeräten, Einbauten (Wärmetauschern, Filtern oder verschiedenste verfahrenstechnische Apparate) und zu guter Letzt der Pumpe mit ihrem Antrieb als Herz der Anlage. Meistens muss das Fördermedium von einem Ort zum anderen transportiert, in einem Kreislauf umgewälzt oder auf einen bestimmten Druck gebracht werden. Die Behälter dienen dabei als vorübergehende Speicher für das Fördergut, Rohrleitungen dienen dem Transport, Armaturen und Messgeräte der Prozesskontrolle, die Einbauten und Apparate der Behandlung des Förderguts und die Pumpe muss die notwendige Energie in das System einbringen, damit sich das Fördergut von einem Ort zum anderen bewegt. Bewässerungs- oder Abwasserbehandlungssystem oder in Gebäuden z. B. die gewählte Heizungsart eine Rolle. Oft gibt es noch Einflussmöglichkeiten durch die Wahl des Aufstellungsorts von Tanks und Becken oder die Einstellung von Prozessparametern wie Heizungsvorlauftemperaturen etc. Für eine gegebene Förderaufgabe muss nicht nur die theoretische (aus Förderstrom und statischer Höhe an den Systemgrenzen zu errechnende) Leistung aufgebracht werden, es entstehen darüber hinaus an vielen Stellen im Prozess Energieverluste, die den tatsächlichen Energiebedarf erhöhen. Durch eine gute Anlagenplanung können diese Verluste reduziert werden. Der Energiebedarf von Pumpensystemen hängt zunächst von der zu bewältigenden Förderaufgabe ab. Dabei spielt je nach Anwendungsfall das gewählte Produktionsverfahren, das Wirkungsgrade. Der tatsächliche Energieverbrauch eines Pumpensystems setzt sich zusammen aus der nominalen Leistung der Pumpe und der Mehrleistung, die zur Deckung von Verlusten in Rohrleitung, Pumpe, Getriebe, Motor und eventuell dem Frequenzumrichter notwendig ist. Bildhaft kann man sich das so vorstellen, als müsse die Energie vom Netz kommend erst verschiedene Stationen durchlaufen, bei denen jeweils ein Teil der Energie verloren geht, bevor sie die eigentlich sinnvolle Arbeit verrichten kann. Tatsächlich sind diese Stationen meistens Umwandlungen der Energie: von der Netzfrequenz auf niedrigere Frequenzen, vom elektrischen Strom in eine Drehbewegung, von der Drehbewegung in hydraulische Energie. In der Rohrleitung wird das Fördergut mal beschleunigt, mal abgebremst, oft umgelenkt und in Ventilen von einem höheren Druck auf einen niedrigeren gedrosselt. All diese Umwandlungen sind mit Verlusten verbunden. Hinzu kommt Reibung der Welle in Lagern und Dichtungen und des Förderguts an der Rohrleitungswand. E n e r g i e E f f i z i e n z l o h n t s i c h. 8
Systemkomponenten und Energiebedarf. Energiefluss durch die Systemkomponenten. Abb. 2: Energiefluss im Pumpensystem In diese Richtung fließt die Energie. Verluste Förderaufgabe Rohrleitung Pumpe Kraftübertragung Motor Leistungselektronik Stromnetz Wechselwirkungen kwh Energiebedarf Energiekosten In diese Richtung fließen die Kosten. Die Verluste in all diesen Stationen kann man durch einen Wirkungsgrad ausdrücken. Der Wirkungsgrad ist der Quotient von aus der Station heraus kommenden zur in diese hinein fließenden Energie. Da nur der herauskommende Teil (ohne die Verluste) für den Prozess weiter nutzbar ist, spricht man auch vom Verhältnis von Nutzen zu Aufwand. Wegen der Verluste ist der Wirkungsgrad immer kleiner als eins. Der Wirkungsgrad des Motors ist z. B. die abgegebene Leistung geteilt durch die aufgenommene Leistung. Andersherum ausgedrückt ist die vom Motor benötigte elektrische Leistung gleich der an der Motorwelle benötigten Leistung geteilt durch den Wirkungsgrad des Motors. Wenn sich zwischen Motor und Stromnetz noch ein Frequenzumrichter befindet, geht an dieser Stelle auch wieder Energie verloren. Die vom Stromnetz abverlangte und damit beim Energieversorger bezahlte Leistung entspricht dann der vom Motor verlangten elektrischen Leistung geteilt durch den Wirkungsgrad des Frequenzumrichters. So kann man die tatsächlich benötigte Energie dadurch berechnen, dass man von der eigentlichen Förderaufgabe ausgehend die Energiemenge an jeder Station mit dem Kehrwert des Wirkungsgrads multipliziert. Da der Kehrwert vom Wirkungsgrad immer größer als eins ist, wird dadurch an jeder Station der Energiebedarf höher. P elektr. = P welle * 1/ Wirkungsgrad E n e r g i e E f f i z i e n z l o h n t s i c h.
Systemkomponenten und Energiebedarf. 1 / η Rohr 1 / η Pumpe Förderaufgabe 1 / η Kraftübertragung 1 / η Motor 1 / η Elektronik * * * * * = Strombedarf Der Energiebedarf ergibt sich aus der Förderaufgabe und den Wirkungsgraden der Systemkomponenten. Aus einer mathematischen Betrachtung lassen sich nun einige interessante Schlüsse ziehen: Eine Pumpe, deren hydraulischer Wirkungsgrad um ein Fünftel kleiner ist als der einer Vergleichspumpe, hat identische Auswirkungen auf die Energiekosten wie ein Aggregat, dessen Motorwirkungsgrad ein Fünftel kleiner ist. Ein Prozentpunkt Wirkungsgradverbesserung bei einer Komponente mit schlechtem Wirkungsgrad bringt mehr als dort, wo er ohnehin gut ist. Anders stellt es sich bei den Absolutwerten für die Verluste dar: Ein Kilowatt weniger Verlust in der Rohrleitung bringt mehr Einsparung als ein Kilowatt weniger Verlust im Motor. Keine einfache Aussage lässt sich darüber treffen, an welcher Stelle ein Prozent weniger Verlust die größere Auswirkung hat. Dies hängt sowohl von der Position in der Kette als auch vom Absolutwert der Verluste ab 2. An dieser Stelle wird deutlich, dass bei der Auswahl einer Verbesserungsmaßnahme deren Auswirkung auf den Energieverbrauch des gesamten Systems berechnet oder abgeschätzt werden sollte. Für die Bewertung der Einsparung muss diese ohnehin zusammen mit den Auswirkungen auf die anderen Kostenarten, wie z. B. Investitions- und Installationskosten betrachtet werden. Wechselwirkungen. Die Zusammenhänge werden dadurch noch etwas komplizierter, dass die verschiedenen Bauteile gegenseitig ihre Wirkungsgrade beeinflussen können. Dies wird im Folgenden am Beispiel eines Frequenzumwandlers veranschaulicht, wobei diese verallgemeinernden Aussagen wiederum keine systematische Lebenszykluskosten-Analyse ersetzen können. Ein Frequenzumrichter hat die Aufgabe, die Drehzahl des Motors zu variieren und dadurch die hydraulische Leistung der Pumpe dem tatsächlichen Bedarf anzupassen. Da auch ein Frequenzumrichter einen Wirkungsgrad kleiner als eins hat, verschlechtert er zunächst den Gesamtwirkungsgrad des Systems. Hinzu kommt, dass das Ausgangssignal des Frequenzumrichters keine glatte Sinuskurve wie beim Stromnetz ist, sondern etwas abgehackt. Dadurch verschlechtert der Frequenzumrichter den Wirkungsgrad des Motors. Wenn man verstehen will, warum der Einsatz eines Frequenzumrichters in manchen Pumpensystemen dennoch mit die höchstmöglichen Energieeinsparungen erzielen kann, muss man wiederum das Gesamtsystem betrachten. In vielen Pumpensystemen wird der Durchfluss dadurch geregelt, dass bei geringerem Bedarf mit einem Regelventil gedrosselt wird. Das gedrosselte (also teilweise geschlossene) Regelventil verschlechtert aber nicht nur den Wirkungsgrad 2 des Rohrleitungssystems ganz erheblich, sondern meistens auch über eine weitere Wechselwirkung den der Kreiselpumpe. Durch den Einsatz des Frequenzumrichter wird das Regelventil überflüssig. Unter dem Strich kommt es zu einer Effizienzsteigerung. Durch den Frequenzumrichter verschlechtert sich zwar der Wirkungsgrad des Antriebs, der von Pumpe und Rohrleitung verbessert sich aber so stark, dass insgesamt eine Einsparung bis zu dreißig Prozent der Energiekosten möglich ist. Dies gilt aber nur, wenn der Frequenzumrichter tatsächlich zum Regeln eingesetzt wird und nicht ausschließlich, um eine falsch dimensionierte Pumpe zu korrigieren. Näheres dazu findet sich im Abschnitt Regelung. Ein weiteres Beispiel für die Notwendigkeit, das System als Ganzes zu betrachten, ist der Austausch eines ineffizienten Motors durch einen Motor mit höherem Wirkungsgrad. Während dies fast immer eine gute Möglichkeit zum Senken der Energiekosten ist, kann es in wenigen Fällen sogar zu einer Erhöhung des Energieverbrauchs führen. Näheres dazu findet sich im Abschnitt Pumpenantriebe. Alle Stationen in der Wirkungsgradkette haben die Eigenschaft gemeinsam, dass sie direkt oder indirekt von der Förderaufgabe abhängen. Die Wirkungsgrade der Einzelkomponenten und damit auch des Gesamtsystems sind also eine Funktion von Förderstrom und Förderhöhe. 1 Generell wirkt sich ein Prozent weniger Verlust auf der Prozessseite stärker aus als auf der Seite des Stromnetzes. Diese Tendenz wird aber überlagert dadurch, dass sich ein Prozent weniger Verlust dort stärker auswirkt, wo der Wirkungsgrad geringer ist. 2 Üblicherweise spricht man bei Rohrleitungssystemen nicht von Wirkungsgraden. Für unsere Zwecke ist diese Betrachtungsweise aber hilfreich. E n e r g i e E f f i z i e n z l o h n t s i c h. 1 0
Systemkomponenten und Energiebedarf. Energiekosten Die Energiekosten Ce sind das Produkt aus Energieverbrauch und Energiepreis. Hinzu kommt ein fixer Anteil, der abhängig von der Maximalleistung ist. Dieser Anteil muss anteilig aus den Netzanschlusskosten berechnet werden und ist vor allem dann relevant, wenn das Pumpensystem die benötigte Spitzenleistung des Unternehmens erhöht. Sollte der Energiepreis von der Tages- oder Jahreszeit abhängen, müssen die Kosten für die verschiedenen Tarifblöcke einzeln berechnet und addiert werden. Falls das Pumpensystem überwiegend in einem konstanten Betriebspunkt arbeitet, lässt sich der Energieverbrauch vereinfachend als Produkt von Betriebsstundenzahl, hydraulischer Leistung und dem Kehrwert des Anlagenwirkungsgrads berechnen. Etwas aufwendiger wird es, wenn die Förderaufgabe nicht konstant bleibt, z. B. bei variablem Förderstrom oder einem Gegendruck, der sich mit dem Füllstand des zu befüllenden Tanks ändert. In diesem Fall muss das Produkt aus Wirkungsgrad, Druck und Volumenstrom über die Betriebszeit integriert werden, wobei der Wirkungsgrad wie oben beschrieben selbst eine Funktion von Druck und Volumenstrom ist. Einfacher ist es, wenn es gelingt, einige charakteristische Betriebszustände wie Mindestmenge, Teil-, Voll- und Überlast zu identifizieren und dafür den Wirkungsgrad zu berechnen. Die Leistung kann dann als streckenweise konstant betrachtet und für diese Betriebspunkte berechnet werden. Zur Berechnung des Jahresverbrauchs müssen die ermittelten Leistungswerte dann mit der jeweils zugeordneten Stundenzahl multipliziert und die Produkte aufsummiert werden. Folgekosten des Energieeintrags Die Reibungsverluste in Pumpe und Rohrleitung führen zu einer Erwärmung des Förderguts. Diese Erwärmung kann einen zusätzlichen Einfluss auf die Gesamtenergiekosten haben. Die Folgekosten sind abhängig davon, ob diese Erwärmung den Prozess beeinflusst und ob sie dabei von Vorteil ist oder nicht. Bei einer Heizungsanlage reduziert sich dadurch die aufzubringende Heizenergie. Die Folgekosten sind also negativ und reduzieren in Form einer Gutschrift die Gesamtenergiekosten. Hierbei ist aber zu beachten, dass der Heizenergiepreis in der Regel um etwa ein Drittel geringer ist als der Strompreis. Entsprechend kann auch nur ein Anteil entsprechend der tatsächlich eingesparten Heizkosten gutgeschrieben werden. Wenn das Fördermedium wieder auf seine Ausgangstemperatur zurückgekühlt werden muss, z. B. in der Lebensmittelindustrie, wird durch die Energieverluste in Pumpe und Rohrleitung der Kältebedarf erhöht. Die Kosten der zusätzlichen Kälteerzeugung sind zu den Energiekosten hinzuzurechnen. Darüber hinaus wirkt sich der Energieeintrag auf die Qualitätskosten Cqu und über die zusätzlich benötigte Wärmetauscherfläche auch auf die Investitionskosten Cic und gegebenenfalls auf die Reinigungskosten Ccip aus. Abb. 3: Mögliche Verteilung der Lastzustände über das Jahr und Annäherung durch einen angenommen, vereinfachten Verlauf Hydraulische Leistung tatsächlicher Verlauf vereinfachter Verlauf Wirkungsgrad Betriebsstunden tatsächlicher Verlauf vereinfachter Verlauf Wirkungsgrad E n e r g i e E f f i z i e n z l o h n t s i c h. 1 1
Kostenoptimierte Planung und Bau. Einführung zur kostenoptimierten Planung und Bau neuer Pumpensysteme. Zu keinem Zeitpunkt im Anlagenleben sind die Gestaltungsmöglichkeiten so groß wie in der Planungsphase einer neuen Anlage. Wer an dieser Stelle den Aufwand nicht scheut, verschiedene Alternativen anhand ihrer Lebenszykluskosten zu vergleichen, kann sich in den Folgejahren nicht nur erhebliche Kosten sondern auch eine Menge Ärger ersparen. Es sollte allen Beteiligten kommuniziert werden, dass das Hauptziel nicht ein minimaler Anschaffungspreis sondern eine energiesparende, zuverlässige und instandhaltungsgerechte Konstruktion der Anlage ist. Auf dieser Basis sollte zunächst eine qualitativ hochwertige Anlage nach dem Stand der Technik geplant werden. Danach schließt sich die Bewertung von Planungsalternativen an. Dieser Vorgang sollte in den verschiedenen Planungsphasen mit zunehmender Detailtiefe wiederholt werden. Als Grundlage für die folgenden Ausführungen dient die Formel der Lebenszykluskosten, wie sie im Abschnitt Lebenszykluskosten beschrieben ist. Zunächst muss entschieden werden, welche Kostenblöcke der Lebenszykluskosten-Formel für die Anlage relevant sind. Dabei sollten nur solche Kostenarten ignoriert werden, die entweder verschwindend klein oder nicht beeinflussbar sind. Auch ein prozentual relativ kleiner Kostenblock kann relevant sein, wenn er sich leicht beeinflussen lässt. In manchen Branchen können in schlechten Jahren schon fünf Prozent mehr Kosten den gesamten Gewinn zunichte machen. Möglicherweise können einige Kostenarten anders strukturiert oder zusammengefasst werden. Mit den gewählten Parametern werden nun die Lebenszykluskosten der geplanten Anlage berechnet. Für die leichter quantifizierbaren Größen wie Investitions- und Energiekosten sollten möglichst genaue, absolute Werte berechnet werden. Einige andere Kostenarten, wie z. B. die Produktionsausfallkosten, können möglicherweise nur abgeschätzt werden. Hier ist es vor allem wichtig, dass die Randbedingungen und Einflussgrößen richtig beschrieben werden. Auf Basis dieser Referenzplanung kann nun überlegt werden, an welchen Stellen durch Planungsalternativen Kosten gesenkt werden können. Hierbei müssen alle Kostenarten betrachtet werden, also nicht nur jene, auf welche die Maßnahme ursprünglich abzielt, sondern auch die Neben- und Folgeeffekte. Die Änderungen sollten nun möglichst genau quantifiziert werden. Wenn z. B. die Produktionsausfallkosten nicht genau bestimmt werden konnten, weil die Gesamtinstandhaltungsdauer über den Lebenszyklus nicht sicher abzuschätzen war, kann dennoch die Differenz exakt berechnet werden, wenn sich durch ein alternatives Bauteil die Reparaturdauer in bestimmten Instandsetzungsfällen um eine halbe Stunde reduziert. Viel wichtiger als der Absolutwert der Lebenszykluskosten ist nämlich die Frage, durch welche Maßnahmen sich der Gesamtwert der Kosten unter dem Strich senken lässt. Der Rechenaufwand sollte also der geplanten Maßnahme und dem Planungsstadium angepasst sein, wobei eher die Detailtiefe für eine einzelne Kostenart reduziert werden sollte als die systemumfassende Betrachtungsweise einzuschränken. Ein weiterer vorbereitender Schritt ist die Entscheidung, welche Lebensdauer zugrunde gelegt wird und mit welchem Prozentsatz diskontiert wird. In diese Entscheidung sollten mehrere Abteilungen, z. B. Einkauf, Vertrieb, Anlagenplanung und -betrieb und möglicherweise sogar die Geschäftsführung einbezogen werden. Sollte es hier stark divergierende Vorstellungen geben, ist es ratsam, die Kostenberechnung so aufzubauen, dass später mit unterschiedlichen Werten für Lebensdauer und Diskontsatz eine Sensitivitätsanalyse durchgeführt werden kann. Als Anhaltswert sollte für den Diskontsatz der Zinssatz für Fremdkapital angesetzt werden. Es ist nicht ratsam hier die Gewinnerwartung zu verwenden, die für die Entscheidung verwendet wird, ob ein wirtschaftliches Engagement überhaupt eingegangen werden soll. Da die grundsätzliche Entscheidung zu diesem Zeitpunkt bereits gefallen ist, tritt das damit verbundene unternehmerische Risiko auf jeden Fall auf. Als Lebensdauer kann der Zeitraum angesetzt werden, in dem auf der Anlage mit kleineren Umbauten voraussichtlich produziert wird, ohne dass sich das Verfahren grundsätzlich ändert. Für die Hauptkomponenten, wie z. B. die Pumpe, sollte unabhängig davon die technische Lebenserwartung eingesetzt werden. E n e r g i e E f f i z i e n z l o h n t s i c h. 1 2
Kostenoptimierte Planung und Bau. Möglichkeiten zur Kostensenkung. Eine sachgerechte Auslegung des Pumpensystems ist das wichtigste Element für die Optimierung der Lebenszykluskosten. Alle Komponenten sollten gut aufeinander abgestimmt und möglichst optimal an die geplanten Betriebsbedingungen angepasst sein. Auch gut gemeinte Sicherheitszuschläge, also eine Überdimensionierung von Pumpen und Antrieben, können die Investitions- und Betriebskosten in die Höhe treiben. Optimierungsmöglichkeiten gibt es in allen Phasen von Anlagenplanung und -bau. Einige sind im Folgenden beispielhaft aufgeführt. Verfahrensplanung In vielen Fällen stehen zur Erreichung desselben Produktionsziels verschiedene Verfahren zur Verfügung. Diese können sich stark im apparativen Aufwand und im Energiebedarf unterscheiden. Bereits in diesem frühen Planungsstadium sollten Lebenszykluskosten abgeschätzt werden. Einige Anhaltspunkte sind die erforderlichen Druck- und Temperaturniveaus und die Art der eingesetzten Maschinen. Verfahren mit rotierenden oder pulsierenden Maschinen, wie das bei Pumpensystemen der Fall ist, sind fast immer wartungsintensiver als zum Beispiel rein thermische Verfahren. Auf der anderen Seite lassen sich durch den Einsatz von Standardkomponenten, wie etwa Normpumpen, die Investitions- und Ersatzteilkosten deutlich senken. Diskontinuierliche Verfahren verursachen meist höhere Reinigungskosten als kontinuierliche Verfahren. Verfahren mit Gefahrstoffen können hohe Umwelt- und Bedienungskosten haben. Auswahl der Hauptkomponenten Große Anlagenkomponenten, wie Wärmetauscher oder Filtrationsstufen, haben einen erheblichen Einfluss auf den Prozessenergiebedarf im Allgemeinen, aber auch auf die benötigte Pumpenleistung im Besonderen. Oft machen sie auch den größten Teil der anderen Kostenarten aus. Aufstellungsplanung Ist das Verfahren einmal festgelegt, lassen sich die Rohrleitungs- und Energiekosten noch durch die Aufstellung von Behältern und Maschinen beeinflussen. Selbstverständlich sollten unnötige Wege vermieden werden. Aber auch die statische Höhe spielt eine Rolle. Die Befüllung eines hohen, schmalen Tanks erfordert mehr Energie als die eines flachen, breiten. Durch eine intelligente Anordnung von Abwasserklärbecken kann die zu installierende Pumpenleistung erheblich reduziert werden. Eine Solaranlage mit Warmwasserspeicher auf dem Dach benötigt meistens weniger Pumpenenergie als ein im Keller oder unterirdisch angebrachter Warmwasserspeicher. Nutzung der Schwerkraft anstelle von Pumpenenergie bei der solaren Wassererwärmung. E n e r g i e E f f i z i e n z l o h n t s i c h. 1 3
Kostenoptimierte Planung und Bau. Rohrleitungsplanung Der Rohrleitungsdurchmesser hat einen entscheidenden Einfluss auf die Kosten. Aufgrund der mathematischen Beschreibbarkeit ist er das Beispiel, das am häufigsten für Optimierungsrechnungen herangezogen wird. Die Kosten für dünnwandige Rohrleitungen steigen in etwa linear mit dem Durchmesser. Der Energieverbrauch hingegen ist umgekehrt proportional zur vierten Potenz des Durchmessers. Es lässt sich also für gegebene Materialpreise, Rauigkeit und Rohrleitungswiderstände rechnerisch oder grafisch ein Optimum bestimmen. Tatsächlich funktioniert dieser einfache Ansatz aber nur für sehr lange, kontinuierlich durchströmte Rohrleitungen. Bei kompakteren Systemen überwiegt der Einfluss der Armaturen, bei denen sich weder die Einkaufspreise noch die Strömungswiderstände durch einfache Formeln in Abhängigkeit vom Rohrleitungsdurchmesser beschreiben lassen. Das Optimum lässt sich hier nur finden, wenn mit einer Lebenszykluskosten-Analyse verschiedene Alternativen verglichen werden. Großzügige Rohrdimensionierung in einem Wasserwerk. Um große Druckverluste zu vermeiden, wurden die Reduzierstücke sehr gestreckt. Die nachfolgenden Rohre sind zwei Nennweiten größer als die Pumpenstutzen. Weiterhin ist noch der mit zunehmendem Durchmesser steigende Montage- und Wärmeisolierungsaufwand zu berücksichtigen sowie die mit dem Durchmesser steigenden Reinigungskosten Ccip (Cleaning in place). Auf die Qualitätskosten wirkt sich die geringere mechanische Belastung bei größeren Durchmessern kostensenkend aus, hingegen führt die größere Verweilzeit möglicherweise zu steigenden Qualitätskosten. Der bei größeren Durchmessern verringerte Leistungsbedarf der Pumpe führt zu sinkenden Investitionskosten. Neben dem Durchmesser spielt noch die Rohrrauigkeit eine wichtige Rolle. Auch hier verhalten sich Investitions- und Energiekosten gegenläufig. Es zeigt sich, dass auch für das scheinbar einfache Thema Rohrleitungsdurchmesser keine pauschale Aussage getroffen werden kann, sondern tatsächlich für verschiedene Varianten die Lebenszykluskosten im Einzelfall berechnet werden sollten. Auswahl von Pumpe, Motor und Regelung Die Pumpe und ihr Antrieb sind das Herzstück vieler Anlagen. Es ist von essenzieller Bedeutung, das Pumpensystem auf den Bedarf der Anlage abzustimmen. Der Motor muss möglichst genau auf die erforderliche Pumpenleistung ausgelegt sein und sollte nicht überdimensioniert werden. Wichtig ist, die Pumpe nicht nur entsprechend der hydraulischen Erfordernisse, sondern auch an das Fördergut angepasst auszuwählen. Die Auswahl hat Einfluss auf alle in der Lebenszyklusformel beschriebenen Kostenarten. Durch die korrekte Auswahl des ggf. notwendigen Regelsystems kann ein erheblicher Teil der Energiekosten gespart werden. Näheres dazu befindet sich im Abschnitt Auswahl und Regelung. E n e r g i e E f f i z i e n z l o h n t s i c h. 1 4
Kostenoptimierte Planung und Bau. Festlegung einer Überwachungs- und Instandhaltungsstrategie Die Wahl der richtigen Instandhaltungsstrategie ist das Schlüsselelement zur Minimierung der Produktionsausfallkosten. Durch eine Online-Überwachung und Zustandsdiagnose kann die Verfügbarkeit weiter erhöht werden. Der Automatisierungsgrad hat aber auch einen deutlichen Einfluss auf die Investitionskosten. Falls sich ein Online-System nicht rentiert, sollte auf jeden Fall eine Offline-Überwachungsstrategie geplant werden. Bei der späteren Pumpenbestellung ist auf die entsprechende Anschlussmöglichkeit oder auf integrierte Sensoren zu achten. Auswahl eines Betreibermodells Im Anlagenbau gibt es eine weite Palette von Möglichkeiten vom Bau und Betrieb der Anlage in eigener Regie über den Kauf schlüsselfertiger Anlagen bis zu Modellen, in denen der Anlagenbauer auch noch für eine bestimmte Zeit den Anlagenbetrieb übernimmt (BOT-Build, Operate and Transfer). Der Vorteil des letztgenannten Modells ist, dass der Anlagenbauer dabei ein wirtschaftliches Interesse an der Minimierung der Betriebs- und Instandhaltungskosten hat. Auf der anderen Seite sind die Transaktionskosten für ein solches Vorgehen zu berücksichtigen. Der Risikozuschlag des Anlagenbauers führt tendenziell zu einer Erhöhung der Investitionskosten. Einkauf der Anlagenteile Der Anfrage- und Auftragsvergabeprozess ist ein weiterer bedeutsamer Moment, in dem die Gesamtkosten der Anlage beeinflusst werden können. Hier ist es wichtig, die geforderten Eigenschaften der Komponenten sowie die Betriebsbedingungen und das Fördermedium genau zu spezifizieren. Dem Anbieter sollte signalisiert werden, dass eine Optimierung der Gesamtkosten im Vordergrund steht und dass im Vergabeprozess noch Raum für Verbesserungsvorschläge ist. Die für die Instandhaltungs- und Verfügbarkeitsplanung wichtigen Daten sollten abgefragt werden (siehe hierzu auch die entsprechenden Abschnitte). Bei den Motoren sollte auf die Effizienzklasse geachtet und der Preis für höhereffiziente Alternativen erfragt werden. Erst mit diesen Daten kann dann eine Feinplanung der Lebenszykluskosten vorgenommen werden. Bei der Vergabe sollte versucht werden, neben den üblichen Gewährleistungspflichten Garantien für die zugesagten Leistungs- und Zuverlässigkeitswerte zu vereinbaren. Die Haftungsfragen für Produktionsausfälle müssen geregelt werden. Bei größeren Anlagen sollten die Abnahmemodalitäten festgelegt werden. Es ist empfehlenswert, sowohl eine Qualitätsabnahme-Prozedur nach der Montage als auch eine Abnahme der Leistungsparameter nach Inbetriebnahme zu vereinbaren. Bauausführung Auch eine fachgerechte Ausführung des Rohrleitungsbaus hat einen spürbaren Einfluss auf die späteren Betriebskosten. Wichtig ist, dass die Kriterien für eine Abnahme der Qualität vorher festgelegt wurden. Die Rohrleitung sollte spannungsfrei und mit Möglichkeiten für eine thermische Ausdehnung ausgeführt sein. Druckentlastungsvorrichtungen müssen an den richtigen Stellen positioniert sein. Unnötige Spalte, in denen sich Feststoffe ablagern können, sollten vermieden und die Rauigkeit der Schweißnähte kontrolliert werden. Der Pumpenzulauf muss gerade und ohne Einbauten sein. Die Fluchtung von Pumpe und Antrieb sollte überprüft werden (Anleitung findet man in dem VDMA-Einheitsblatt 24277). Inbetriebnahme Auch bei sachgerechter Planung arbeitet eine Anlage nach der Fertigstellung selten im optimalen Betriebspunkt. Durch eine Feinjustierung während der ersten Inbetriebnahme können auf Dauer gesehen noch einmal bis zu zehn Prozent der Energiekosten eingespart werden. Es sollte zunächst ein hydraulischer Abgleich vorgenommen werden. Im Anschluss ist dann zu prüfen, welche der Optimierungsmaßnahmen sinnvoll sein können. Zu guter Letzt müssen die Regelparameter optimiert werden. Durch sorgfältiges Arbeiten lassen sich Regelabweichungen und damit dauerhafte und unnötige Qualitäts- und Energiekosten vermeiden. E n e r g i e E f f i z i e n z l o h n t s i c h. 1 5
Optimierung bestehender Anlagen. Einführung zur Optimierung bestehender Anlagen von Pumpensystemen. Eine große Anzahl bestehender Pumpensysteme bieten hohe Potenziale für Einsparungen. Zum einen gibt es durch den technischen Fortschritt und das zunehmende Energiepreis- Bewusstsein inzwischen viele Anlagenkomponenten mit höheren Wirkungsgraden als noch vor einigen Jahren. Zum anderen büßen Pumpen, Motoren und Rohrleitungskomponenten durch Alterung an Wirkungsgrad ein. Pumpen können bei schlechter Wartung bis zu 15 Prozent an Wirkungsgrad verlieren. In Rohrleitungen nimmt der Leitungswiderstand durch Korrosion und Ablagerungen zu. Armaturen werden undicht, was zu Druckverlusten im System führen kann. Hinzu kommt, dass sich eine Anlage durch den Austausch von Komponenten oft vom Auslegungsoptimum entfernt, wenn der Aufwand einer Neuberechnung gescheut wird. Oft werden Verbesserungsmaßnahmen geplant, wenn durch einen Defekt ohnehin der Austausch von Komponenten, wie zum Beispiel Pumpe oder Motor, ansteht. Tatsächlich ist dies ein guter Zeitpunkt für die Umsetzung von Verbesserungsmaßnahmen. Für die Planung ist es aber eigentlich schon einen Schritt zu spät. Beginnt man mit der Planung vor dem Defekt, ist es wesentlich einfacher, ausreichend Daten für eine systematische Minimierung der Lebenszykluskosten zu sammeln. Da die richtige Abstimmung der Komponenten aufeinander das Schlüsselelement für geringe Gesamtkosten ist, sollten bei einer angestrebten Verbesserung nicht einfach nur blind Einzelteile ausgetauscht, sondern eine Optimierung des Gesamtsystems vorgenommen werden. Wir verstehen unter Optimierung eine Minimierung der Gesamtlebenskosten der Anlage, wie sie durch die Formel im Abschnitt Lebenszykluskosten definiert sind. Bestandsaufnahme. Eine gute Kenntnis der Bestandsanlage ist eine wichtige Voraussetzung für eine Optimierung. Daher sollte eine LCC- Analyse mit einer Bestandsaufnahme beginnen. Insofern dies noch nicht geschehen ist, sollten die Anlagenkomponenten inventarisiert werden. Kostenfaktoren sollten identifiziert werden. Anhand von alten Werkstattberichten können Rückschlüsse auf verschleißanfällige Komponenten gezogen und Instandhaltungsintervalle berechnet werden. An den Maschinen oder in der Instandhaltungsabteilung sollten Formblätter für die Erfassung von Ausfallzeiten bereitgestellt werden. Vorlagen dafür gibt es z. B. in der VDI-Richtlinie 3423 Verfügbarkeit von Maschinen und Anlagen. Innerhalb der Rohrleitung sollte der Druckabfall über Einbauten wie zum Beispiel Wärmetauscher, Filter oder Blenden zur Strömungsregulierung gemessen werden. Bei verzweigten Rohrleitungssystemen sollten die Volumenströme in den verschiedenen Strängen gemessen werden. Bei Wärmetauschern kann überprüft werden, ob die Förderströme dem tatsächlichen Bedarf entsprechen, bei Tankbefüllungen, ob die Füllzeiten eventuell verlängert werden könnten und in geschlossenen Kreisläufen, ob die Förderströme in der vorliegenden Höhe tatsächlich notwendig sind. Soweit dies möglich ist, sollten an der laufenden Anlage hydraulische Daten aufgenommen werden. Möglicherweise muss dafür ein Testbetrieb mit Wasser gefahren werden. Der Druckverlust über die Rohrleitung bei verschiedenen Förderströmen und der Förderstrom der Pumpe bei variablem Gegendruck sollte gemessen werden. Wenn die apparativen Möglichkeiten dazu vorhanden sind, sollte auch die Leistungsaufnahme des Motors in den verschiedenen Betriebspunkten aufgenommen werden. E n e r g i e E f f i z i e n z l o h n t s i c h. 1 6
Optimierung bestehender Anlagen. Anhand der gesammelten Daten können Schwachstellen und Potenziale für Effizienzsteigerungen identifiziert werden. Verschiedene Verbesserungsmöglichkeiten sollten im Hinblick auf ihre Auswirkung auf die Lebenszykluskosten untersucht werden. Dabei ist es nicht notwendig, einen genauen Zahlenwert für die Lebenszykluskosten der gesamten Anlage zu berechnen. Es reicht aus, sich darüber klar zu werden, welche Faktoren die Kosten der Anlage direkt oder indirekt beeinflussen und wo Folgekosten entstehen können. Die Ergebnisse solcher Überlegungen sollten schriftlich oder grafisch festgehalten werden, sodass sie von anderen Personen nachvollzogen werden können. Für die Verbesserungsvorschläge sollte dann die Änderung der verschiedenen Kostenarten als Differenzwert berechnet werden. Hierbei ist es notwendig, einen möglichst weit reichenden Blick über alle Kostenarten zu haben. Verbesserungsmaßnahmen. Mögliche Verbesserungsmaßnahmen, die in dieser Reihenfolge geprüft und umgesetzt werden sollten, sind folgende: Instandhaltung optimieren Die Instandhaltungsstrategie sollte überprüft werden. Dafür sind die Instandhaltungs- und Produktionsausfallkosten im Istzustand zu bewerten. In welchem Zustand werden die Verschleißteile zurzeit ausgetauscht? Kommt es zu Folgekosten bei Defekten? Mögliche Instandhaltungsstrategien sind im Abschnitt Wartung und Instandhaltung beschrieben. Soll eine zustandsbezogene Instandhaltung implementiert werden, ist dies in den Spezifikationen der in Zukunft zu beschaffenden Komponenten zu berücksichtigen. An den Pumpen und Motoren müssen entsprechende Sensoren vorgesehen werden. Regelstrategie überprüfen Die Regelung bietet pauschal bei vielen Bestandsanlagen die größte Einsparmöglichkeit. Bypass- und Drosselregelung können hohe unnötige Energiekosten, aber auch Qualitäts-, Instandhaltungs- und Produktionsausfallkosten erzeugen, wenn die Anlage oft in Teillast betrieben wird. Informationen hierzu finden sich im Abschnitt Auswahl und Regelung. Falls auf Drehzahlregelung umgestellt werden soll, ist dies bei der Spezifikation des neuen Motors zu berücksichtigen oder der bestehende entsprechend umzurüsten. Sollte die Drosselregelung beibehalten werden, ist zu überprüfen, ob Pumpe und Regelventil richtig ausgelegt sind. Im Volllastbetrieb sollte das Ventil fast komplett geöffnet sein (Herstellerangaben beachten) und einen minimalen Druckverlust aufweisen. Gegebenenfalls ist das Regelventil auszutauschen und die Pumpenleistung anzupassen. E n e r g i e E f f i z i e n z l o h n t s i c h. 1 7
Optimierung bestehender Anlagen. Flaschenhälse weiten Möglicherweise hat die Rohrleitung zwar einen ausreichend großen Durchmesser für den Auslegungsförderstrom, aber durch lokale Verengungen wird trotzdem ein hoher Druckverlust erzeugt. Solche Flaschenhälse können dort auftreten, wo für Ventile oder Messgeräte ein kleinerer Durchmesser gewählt wurde, um Investitionskosten zu sparen. Oder die Rohrleitung wurde bewusst durch eine Blende verengt, um den Volumenstrom zu drosseln. Solche Einschnürungen führen zu einer steileren Anlagenkennlinie, also zu einer rapiden Zunahme der Energieverluste mit steigendem Förderstrom. Selbst wenn die Reduzierung des Durchmessers bei der ursprünglichen Anlagenplanung noch ökonomisch vertretbar war, kann es sein, dass durch eine gestiegene Anlagenauslastung, höhere durchschnittliche Förderströme oder gestiegene Energiepreise an diesen Stellen nun unnötige Kosten verursacht werden. Wenn es ohne übermäßig hohen Investitions- und Installationsaufwand möglich ist, sollten solche Flaschenhälse beseitigt werden. Rost und Mineralien haben das Trinkwasserrohr zugesetzt. Der Querschnitt des Rohres wird verengt. Die Wandrauigkeit nimmt zu. Die Folge: höhere Strömungsgeschwindigkeit und gestiegene Druckverluste. Einschnürungen der Strömung verursachen zusätzliche Druckverluste Druckverbraucher austauschen Bei Komponenten mit hohen Druckverlusten, wie Filtern und Wärmetauschern, ist zu prüfen, ob diese durch Alternativen mit günstigeren hydraulischen Eigenschaften ersetzt werden können. Dies ist insbesondere dann sinnvoll, wenn aufgrund von Korrosion oder Ablagerungen ohnehin eine Investition notwendig wird oder wenn z. B. durch häufige Dichtungsprobleme die Instandhaltungs- oder Produktionsausfallkosten der Komponenten besonders hoch sind. Volumenströme anpassen Falls sich herausgestellt hat, dass einige der Prozessschritte mit geringeren Förderströmen gefahren werden können, ist die Prozessführung entsprechend anzupassen. Möglicherweise muss eine Anpassung der Pumpenleistung oder Einführung einer Drehzahlregelung in Erwägung gezogen werden. Bei verzweigten Systemen mit parallelen Strängen, wie z. B. Heizungsanlagen, sollte ein hydraulischer Abgleich vorgenommen werden. Das heißt, dass in den Strängen die Druckverluste so angepasst werden, dass durch alle Stränge der richtige Volumenstrom fließt. Diese Aufgabe wird dadurch erschwert, dass sich alle Stränge gegenseitig beeinflussen. Im Ergebnis sollte der Gesamtdruckverlust minimal sein, was bedeutet, dass immer mindestens ein Strang ungedrosselt sein muss. In Systemen mit Thermostatventilen kann der Einsatz einer automatischen Strangdifferenzdruckregelung sinnvoll sein. E n e r g i e E f f i z i e n z l o h n t s i c h. 1 8
Optimierung bestehender Anlagen. Pumpe anpassen Eine der wichtigsten Optimierungsaufgaben ist die Überprüfung, ob die Pumpe im tatsächlichen Betriebspunkt mit ihrem optimalen Wirkungsgrad arbeitet. Falls dies nicht der Fall ist, sollte die Pumpe ausgetauscht oder die Förderleistung durch Abdrehen oder Austausch des Laufrads angepasst werden. Der Einsatz eines Frequenzumrichters allein zur Einstellung des Volllast-Betriebspunkts (also ohne Regelungsaufgaben) ist nicht sinnvoll, da auch dieser einen eigenen Energieverlust hat (siehe auch Abschnitte Systemkomponenten und Energiebedarf, Auswahl und Regelung und Antriebstechnik und Motoren ). Bei Überprüfung der Pumpe sollten auch der Zustand des Laufrads und der Spaltabstand geprüft und gegebenenfalls korrigiert werden. Möglicherweise ist auch aus diesem Grund ein Austausch des Laufrads nötig. Bei der Beschaffung neuer Laufräder ist zu prüfen, ob es Alternativen mit höherwertigen Werkstoffen und geringerer Oberflächenrauigkeit gibt. Abb. 4: Anpassung durch Abdrehen des Laufrads Reduzierter Laufraddurchmesser Durch ein Abdrehen des Laufrads kann eine überdimensionierte Pumpe den Erfordernissen angepasst werden. Antrieb verbessern Der Pumpenantrieb ist der Punkt, an dem mit besonders geringen baulichen Veränderungen deutliche Wirkungsgradverbesserungen erzielt werden können. Motoren büßen im Laufe ihres Lebens zwangsläufig an Wirkungsgrad ein. Bei großen Motoren können eine Generalüberholung und eine Erneuerung der Wicklung den Wirkungsgrad wieder verbessern. Insbesondere bei kleinen Motoren und solchen, die lange Jahreslaufzeiten aufweisen, ist es aber oft sinnvoller, den Antrieb komplett auszutauschen und bei der Gelegenheit auf einen Motor mit höherer Effizienzklasse umzustellen. Hinweise dazu befinden sich im Ratgeber Elektrische Motoren und Antriebssysteme im Internet als Download unter www.industrie-energieeffizienz.de. Auch ein überdimensionierter Motor ist sehr häufig Grund für unnötige Energieverluste. Eine Neudimensionierung kann auch nötig werden, wenn durch die oben genannten Verbesserungsmaßnahmen der Leistungsbedarf reduziert wurde. In die Bewertung sollten nicht nur Investitions- und Energiekosten einfließen, sondern auch die oft längere Lebensdauer von Hocheffizienzmotoren berücksichtigt werden. Auch die geringere Wärmeabstrahlung in die Umgebung kann insbesondere in klimatisierten Produktionshallen ein Gesichtspunkt sein. Regelung neu parametrieren Durch Alterung und Umbauten in der Anlage können sich die Anlagenparameter so geändert haben, dass die Regelung eine unnötig hohe Einschwingzeit oder bleibende Regelabweichung hat. Auch die oben genannten Verbesserungsmaßnahmen machen eine Neujustierung der Regelung nötig. Eine schlecht eingestellte Regelung kann nicht nur zu höheren Energiekosten, sondern auch zu höheren Instandhaltungskosten (z. B. bei den Regelventilen) und häufigeren Produktionsausfällen führen. E n e r g i e E f f i z i e n z l o h n t s i c h. 1 9
Auslegung von Rohrleitungen. Einführung zur Auslegung von Rohrleitungssystemen. Die Frage, welche Kosten ein Pumpensystem über seine Lebensdauer verursacht, hängt ganz wesentlich von einer anforderungsgerechten technischen Auslegung ab. Am Anfang steht die Festlegung des technischen Prozesses. Aus diesem leitet sich ein Bedarf an verfahrenstechnischen Apparaten und Behältern ab. Durch die geforderten Drücke und Volumenströme der Systemkomponenten und die räumliche Aufstellung derselben ergibt sich eine Förderaufgabe. Für die Feinplanung ist es nun sinnvoll, jeweils Anlagenabschnitte zwischen zwei Apparaten oder Behältern als Einzelsystem zu betrachten. Die dem System von außen aufgegebene Transport- bzw. Druckerhöhungsaufgabe kann nun in verschiedenen Varianten umgesetzt werden. Dabei sind ein Rohrleitungsdurchmesser und eine Regelstrategie festzulegen. Beide zusammen haben Einfluss auf den Leistungsbedarf und die geeignete Bauform der Pumpe. Förderhöhe Bei Pumpensystemen ist es üblich, anstelle von Drücken mit sogenannten Druckhöhen zu rechnen. Die Förderhöhe einer Pumpe kann im Gegensatz zum Förderdruck für eine Drehzahl und einen Förderstrom unabhängig von der Dichte des Förderguts angegeben werden. Der statische Druck und die kinetische Energie der Flüssigkeit lassen sich nach folgenden Formeln in eine Druckhöhe bzw. Geschwindigkeitshöhe umrechnen: Die verfahrensbedingte Förderhöhe, die das Pumpensystem erbringen muss, ergibt sich aus der Differenz der Druckhöhen, der Geschwindigkeitshöhen und der geodätischen Höhen (Höhe über N.N.) am Ein- und Austritt des Anlagenabschnittes. H p aus p ein = ρ* g 2 2 U aus U ein + + (z aus z ein ) 2* g p = Druck, ρ = Dichte, g = Fallbeschleunigung, U = Strömungsgeschwindigkeit, z = geodätische Höhe Welche dieser Einflussgrößen am wichtigsten ist, hängt ganz von der Aufgabe des Pumpensystems ab. Soll ein unter Druck stehender Dampfkessel gespeist werden, ist der erste Term der Formel entscheidend, bei einer Feuerwehrpumpe die aus einem großen, offenen Tank ansaugt und am Ende des Schlauchs einen möglichst langen Strahl erzeugen soll, der mittlere und bei einer Pumpe, die ein hochgelegenes Wasserreservoir befüllt, der letzte Term. Druckhöhe [m] = Druck [bar] * 100 Dichte [kg/i] * Fallbeschleunigung [m/s 2 ] Geschwindigkeitshöhe [m] = (Strömungsgeschwindigkeit [m/s] 2 2* Fallbeschleunigung [m/s 2 ] Die Fallbeschleunigung (Erdanziehungskraft-Konstante) beträgt in unseren Breitengraden etwa 9,81 m / s 2. E n e r g i e E f f i z i e n z l o h n t s i c h. 2 0