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Pumpen-Antriebe

Effiziente Antriebstechnik bei Pumpen spart Kosten

04.03.2008 | Autor / Redakteur: Dipl.-Ing. Hans-Jürgen Bittermann / Dr. Jörg Kempf

Die neuen Hochdruck-Pumpen der Baureihen CR 120 und CR 150 von Grundfos (Förderleistung bis zu 180 m³/h) sind mit Hocheffizienzmotoren (55 bzw. 75 kW) der Klasse EFF1 ausgerüstet.
Die neuen Hochdruck-Pumpen der Baureihen CR 120 und CR 150 von Grundfos (Förderleistung bis zu 180 m³/h) sind mit Hocheffizienzmotoren (55 bzw. 75 kW) der Klasse EFF1 ausgerüstet.

Studien der EU-Kommission und des US-Department of Energy zeigen, dass motorgetriebene Systeme für 20 Prozent des Weltstromverbrauchs verantwortlich sind. Pumpen-Systeme allein verbrauchen rund ein Fünftel davon. Weil Energie immer teurer wird, ist die Installation moderner Motoren und/oder elektronischer Antriebsregelungen eine Investition mit attraktiven Kapitalrenditen.

Strom in Bewegung umzusetzen – das leistet ein Motor. Dass er dies möglichst effizient tut, daran arbeiten die Hersteller seit der Erfindung des Elektromotors vor etwa 170 Jahren. Aber die technischen Möglichkeiten werden zuwenig genutzt: Beispielsweise können nach Aussage des Zentralverbands Elektrotechnik- und Elektroindustrie (kurz ZVEI) allein Frequenzumrichter 90 Prozent des Energiesparpotenzials abschöpfen. Der Rest lässt sich mit modernen Energiesparmotoren abdecken. Was das bedeutet, zeigen folgende Zahlen: Laut ZVEI sind in Deutschland 30 Millionen Antriebseinheiten installiert, davon werden nur zwölf Prozent mit Energie sparender Drehzahlregelung betrieben. Bei rund 50 Prozent aller Antriebe wäre es sinnvoll, sie ebenfalls umzurüsten. Rechnet man mit einem Industrie-Strompreis von 8 Cent/kWh, könnte die Industrie jährlich 1,75 Milliarden Euro sparen. Das ist eine beeindruckende Zahl.

Doch vor dem Sparen steht die Investition. Und die Anschaffungskosten verschrecken viele Entscheider – was unverständlich ist: Denn der Kaufpreis macht bei einer Nutzungsdauer von zehn Jahren und jährlich 2000 Betriebsstunden weniger als drei Prozent der Gesamtkosten aus, die Stromkosten dagegen mehr als 95 Prozent. Deshalb gilt gerade bei Pumpen: Jedes eingesparte Watt und jeder Prozentpunkt günstigerer Wirkungsgrad minimiert für den Betreiber die Kosten auf Dauer erheblich.

Rechenaufgabe für Sparfüchse

Wie bei elektrischen Haushaltsgeräten erleichtern EU-Wirkungsgradklassen auch bei Elektromotoren die Auswahl. Es werden dabei drei Klassen (EFF1, EFF2, EFF3) unterschieden, wobei die hocheffizienten Motoren mit der Wirkungsgradklasse EFF1 gekennzeichnet und bevorzugt einzusetzen sind.

Das Deutsche Kupferinstitut rechnet den Vorteil so vor: Ein vierpoliger 30-kW-Motor treibt bei Volllast für 8000 Stunden im Jahr eine Kühlwasserpumpe an. Der Strompreis betrage 8 Cent/kWh, und die Wirkungsgrade des Hochwirkungsgradmotors und des Standardmotors seien 93,2 Prozent bzw. 91,4 Prozent. Der Unterschied hört sich nicht so beeindruckend an. Doch beträgt die jährliche Energiekosten-Ersparnis = 8000 x 30 x 100% x 0,08 x (1/91,4 - 1/93,2) = 405 Euro. Bei einem typischen Preis von 1650 Euro für einen EFF1-Motor im Vergleich zu 1300 Euro für einen Standardmotor ergibt sich eine Amortisationszeit von nur 9,5 Monaten. Der Einsatz von EFF1-Motoren macht sich also beeindruckend schnell bezahlt!

Geringe Geräuschemissionen

Solche Motoren empfehlen sich darüber hinaus auch wegen ihrer geringen Geräusch-Emissionen: Das Motorengeräusch (und damit ein großer Teil des Pumpengeräusches überhaupt) wird nämlich hauptsächlich durch den Motorlüfter verursacht. EFF1-Motoren benötigen aufgrund des höheren Wirkungsgrades und der deutlich geringeren Abgabe von Verlustwärme weniger Luft zur Kühlung, sodass sie meist mit kleineren und damit leiseren Lüftern auskommen. Die geringere Wärmeabgabe schont zudem die isolierten Kupferdrähte der Statorwicklung und verlängert deren Lebensdauer. Eine niedrige Betriebstemperatur erhöht darüber hinaus die Lebensdauer der Motor-Lager (die Standzeit der Lagerschmierung ist stark temperaturabhängig).

Man sieht: Maßnahmen zur Energieeffizienz wirken sich sogar positiv auf die Verfügbarkeit eines Pumpensystems aus! Die jüngste Generation der Energiesparmotoren von Siemens kann beispielsweise die Verlustleistung, also die in Wärme umgesetzte, ungenutzte Leistung im Vergleich zu konventionellen Elektromotoren um bis zu 45 Prozent verringern, was bei einem 1,1-kW-Motor den Wirkungsgrad von 77 auf 84 Prozent erhöht. Siemens schafft das mit ausgeklügelter Feinarbeit bei Lüftung, Gehäuse und Motorwicklung. Dazu gehört etwa ein höherer Anteil der Aktivmaterialien Aluminium, Kupfer und Elektroblech.

„Wir arbeiten daran, das Wicklungssystem mit einem modifizierten Herstellungsverfahren zu optimieren“, erklärt der dafür zuständige Produktmanager Fred Hochbrückner. „Auch der Läufer bietet Einsparpotenzial. Hier ist Kupfer statt Aluminium ein viel versprechendes Material, weil es einen geringeren Verlustwiderstand hat. Damit können wir Motoren bei gleicher Leistung kompakter bauen.“

Hersteller Getriebebau Nord liefert Systemlösungen aus Motoren, Getrieben und intelligenter Leistungselektronik, deren Wirkungsgrad über den gesamten Antriebsstrang optimiert ist: Die Betriebskosten dieser Einheiten fallen um bis zu 40 Prozent geringer aus als die konventioneller Antriebe. Nord greift dazu auf spezielle Konstruktionsprinzipien und Materialien zurück. So kommen beispielsweise größere Kupferwicklungen sowie besondere Blechsorten im Stator eines Drehstrommotors zum Einsatz. Der höhere Aufwand amortisiert sich jedoch zügig, da im Lebenszyklus fast aller Elektromotoren der Energieverbrauch rund 98 Prozent ihrer Gesamtbetriebskosten ausmacht. Energieeffiziente Nord-Motoren erfüllen die europäische EFF1-Norm ebenso wie die nordamerikanischen Standards EPAct, NRCan und NEMA MG-1. Die Getriebe für Energiesparantriebe arbeiten durch eine optimierte Verzahnungsgeometrie sowie durch den Einsatz spezieller synthetischer Schmierstoffe besonders verschleiß- und wartungsarm.

Dienstleistung Energieeffizienz

Seit 2005 ist die Deutsche Energieagentur (dena) mit ihrer Kampagne „Energieeffiziente Systeme in Industrie und Gewerbe“ unterwegs, berät und unterstützt Unternehmen bei der Steigerung der Energieeffizienz von Pumpensystemen. Dabei wurden in Einzelfällen Einsparpotenziale von über 100 000 Euro pro Jahr entdeckt – um den gleichen Profit zu erwirtschaften, müssten die Unternehmen ein Vielfaches an neuem Umsatz generieren. Das durchschnittliche Kostensenkungspotenzial erreichte bei den über 70 beratenen Unternehmen stattliche 30 Prozent. Konkret: Die Möglichkeiten zur Kostenreduzierung durch eine energetische Optimierung der Pumpensysteme lag zwischen 2500 und 50 000 Euro jährlich.

Die dena-Kampagne führt eindrucksvoll vor Augen: Die höchsten Energiespareffekte sind zu erreichen, wenn energiebetriebene Systeme im Ganzen optimiert werden – statt nur einzelne Systemkomponenten isoliert zu betrachten.

Das bestätigen auch die Spezialisten von Siemens: „Der Austausch von Antriebskomponenten oder der Einsatz von Frequenzumrichtern sind wichtig. Ein noch besseres Ergebnis bringt jedoch eine systematische Energieoptimierung“, erklärt Michael Schweinle von Siemens Industrial Solutions and Services (I&S). I&S bietet als Dienstleistung ein dreistufiges Konzept für die Optimierung bestehender Anlagen an. Der Service reicht von der Berechnung des theoretischen Einsparpotenzials und der energietechnischen Analyse bis zum konkreten Optimierungskonzept und dessen Umsetzung. „Die Kosten inklusive Motoren und Frequenzumrichtern amortisieren sich durch die Energieeinsparung nach spätestens 24 Monaten“, erklärt Schweinle und verweist auf ein Pilotprojekt bei einem Kartonhersteller.

Nicht immer stehen jedoch nur die Kosten im Vordergrund. „Für Siemens ist die CO2-Reduktion Teil der gesellschaftlichen Verantwortung“, sagt A&D-Experte Zwanziger. Der Konzern ist daher Partner des freiwilligen Motor Challenge Programms der EU. Die teilnehmenden Firmen verpflichteten sich, Energie zu sparen oder als Unterstützer für mehr Energiebewusstsein einzutreten und hocheffiziente Technologien voranzutreiben. A&D und I&S haben einen Aktionsplan für Energiesparlösungen festgeschrieben und mit der EU-Kommission vereinbart.

Wirbelstromverluste beachten

Auch die Bauart der Pumpe bestimmt, wie effizient der Antrieb ist. Bei aller Euphorie bezüglich der Leckagefreiheit von wellendichtungslosen Pumpen darf man nicht übersehen: Diese Aggregate haben schlechtere Wirkungsgrade als konventionelle Pumpen. Und auch dabei sind noch Unterschiede festzustellen, wie das Beispiel Magnetkupplungspumpe zeigt: Ist der Spalttopf metallisch ausgeführt, sind Wirbelströme nicht zu vermeiden. Hier haben Spalttöpfe aus Kunststoff einen wichtigen Vorteil.

Da die rotierenden Magnete im metallfreien Spalttopf keine Wirbelströme induzieren und somit auch keine Wärme produzieren, wird zum einen keine Antriebsenergie nutzlos durch Wärmeeintrag in das Fördermedium verschwendet. Zum anderen könne die Antriebsleistung gegenüber metallischen Spalttöpfen um bis zu 20 Prozent gesteigert werden, schätzt man bei Richter Chemie-Technik. Das spart natürlich entsprechend Energiekosten ein. Als weiterer Vorteil komme hinzu, dass auch Medien mit Temperaturen nahe am Verdampfungspunkt sicher gefördert werden könnten, so der Anbieter.

Fazit

Es lohnt sich, über die bestmögliche Antriebstechnik von Pumpen nachzudenken. Durch die Reduktion der Energiekosten amortisieren sich die Investitionen in der Regel in zwei bis drei Jahren. Das ist leicht verdientes Geld, und das gute Gewissen gibt es angesichts einer zunehmenden CO2-Diskussion kostenlos dazu. Vielleicht sollte man aber generell dazu übergehen, die Wirtschaftlichkeit anhand der Kapitalrendite zu bewerten anstatt der Amortisationszeit. Eine Amortisationszeit von zwei Jahren entspricht näherungsweise einer Kapitalrendite von 50 Prozent. Das hört sich für den Controller attraktiver an.

Anhang 1: Pumpenantrieb – asynchron oder synchron?

Der Asynchronmotor ist aufgrund seiner robusten und günstigen Bauweise als Pumpenantrieb noch immer sehr verbreitet, obwohl er insbesondere bei kleinen Leistungen keinen guten Wirkungsgrad besitzt. Dabei sei der Spielraum für Effizienzverbesserungen heute weitgehend ausgeschöpft, so ein Motorspezialist von KSB. Der theoretisch erreichbare Wirkungsgrad ist durch die Formel ηtheoretisch = 1 – s beschrieben, wobei der Schlupf (s) den zum Betrieb notwendigen Asynchronismus berücksichtigt, also das „Nacheilen“ des Rotors. Bei einem synchronen Lauf würde keine Spannung in den Rotor induziert, es würde kein Strom in ihm fließen und kein Drehmoment gebildet werden.

Besonders die verstärkte Nutzung von Permanentmagneten in Motoren erschließt laut KSB ein erhebliches energetisches Einsparpotenzial. Durch den Einsatz von Permanentmagneten im Rotor treten im Gegensatz zum Asynchronmotor keine elektrischen Verluste im Rotor auf. Ein solcher EC-Motor ist aber teuer und derzeit überwiegend im kleineren Leistungsbereich (Heizungsumwälzpumpen) verfügbar.

Anhang 2: Was dämpft die Motorwirkung?

Die Aufgabe eines Elektromotors ist die Umwandlung von elektrischer Energie in mechanische Energie (Drehbewegung). Sowohl lastabhängige wie auch lastunabhängige Verluste mindern den Wirkunsgrad.

Die lastabhängigen Verluste sind proportional zum Quadrat der Stromstärke. Dazu gehören: Statorverluste (Kupferverluste), Rotorverluste (Schlupfverluste) und Streuverluste (in verschiedenen Motorkomponenten).

Zu den lastunabhängigen Verlusten des Motors gehören: Wirbelstromverluste (Kernverluste) und mechanische Verluste (Reibung).

Der Autor ist redaktioneller Mitarbeiter bei PROCESS.

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