Energieeffizienz: Frequenzumrichter für Pumpen Kleiner Aufwand, großer Effekt: So helfen geregelte Pumpen, Energie zu sparen

Von Dr. Andreas J. Ness*

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Pumpen, genauer Pumpenantriebe, sind als Energiefresser bekannt – was liegt also näher, als beim Motor anzusetzen? Leider bringen Elektromotoren höherer Effizienzklassen in Prozesswärmeanlagen lediglich kleine Energieeinsparungen und lohnen sich nur bei Neuanlagen. Doch auch bei Bestandsanlagen sind häufig erhebliche Energieeinsparungen von 50-60 Prozent möglich – und das für vergleichsweise geringe Investitionen. Das Mittel der Wahl: Frequenzumrichter und ein scharfer Blick auf die Verfahrenstechnik.

(Bild: gemeinfrei / Pixabay )

Vorreiter für die Effizienzsteigerung von Elektromotoren sind momentan die USA und Europa. Richtlinien für Neuinstallationen von effizienteren Motoren werden dort besonders vorgeschrieben. In der EU z.B. durch die Ökodesign-Richtlinie (2009/125/EG). Sie gilt insbesondere für 2 bis 6-polige Motoren auf Höhen bis 1000 m mit einer Umgebungstemperaturen von -15 ° C bis +40 ° C und Betriebshöchsttemperaturen bis 400 ° C, jedoch nicht in Ex-Zonen. Seit 2017 gilt die IE 3 Pflicht für Asynchronmotoren von 0,75 kW bis 375 kW. Alternativ können IE2-Motoren mit Frequenzumrichter betrieben werden. Das bringt ganz sicher Vorteile beim Stromverbrauch.

Mit der Verordnung (EU) 2019/1781 vom 01. Oktober 2019 gilt ab Juli 2021: „Die Energieeffizienz von Dreiphasenmotoren mit einer Nennausgangsleistung von mindestens 0,75 kW und höchstens 1 .000 kW, die 2, 4, 6 oder 8 Pole aufweisen und bei denen es sich nicht um Ex-eb-Motoren mit erhöhter Sicherheit handelt, muss mindestens dem […] Effizienzniveau IE 3 entsprechen.“

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Ab dem 1. Juli 2023 werden die Regeln für Ex-eb-Motoren dann auch verschärft: „Die Energieeffizienz von Ex-eb-Motoren mit erhöhter Sicherheit mit einer Nennausgangsleistung von mindestens 0,12 kW und höchstens 1 .000 kW, die 2, 4, 6 oder 8 Pole aufweisen, und von Einphasenmotoren mit einer Nennausgangsleistung von mindestens 0,12 kW muss mindestens dem […] Effizienzniveau IE 2 entsprechen."

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Vergleicht man die Volllast-Wirkungsgrade von Drehstromasynchronmotoren (DASM) bei vier häufig verwendeten Baugrößen unterschiedlicher Nennleistung wird es interessant.

Wirkungsgrade von Drehstromasynchronmotoren unterschiedlicher Energieeffizienzklassen bei Volllast (Quelle: Siemens)
Wirkungsgrade von Drehstromasynchronmotoren unterschiedlicher Energieeffizienzklassen bei Volllast (Quelle: Siemens)
(Bild: Ness )

Drei Beobachtungen sind bemerkenswert:

  • Größere Motoren haben einen etwas höheren Wirkungsgrad als kleinere (bei IE 3: 110 kW 95,5 Prozent gegenüber 15 kW 91,9 Prozent).
  • Der Unterschied zwischen IE 3 und IE 2 ist bei größeren Motoren geringer als bei kleinen (bei 15 kW: 91,9 Prozent gegenüber 90,3 Prozent, bei 110 kW: 95,5 Prozent gegenüber 94,5 Prozent).
  • Insgesamt ist nur eine sehr kleine Wirkungsgraderhöhung bei IE 3 gegenüber IE 2 erkennbar (rund ein Prozentpunkt).

Eine Umrüstung bestehender und funktionierender Motoren von IE 2 auf IE 3 ist daher eher unwirtschaftlich. Dies gilt umso mehr für die zukünftigen IE 4-Motoren, die aus technischen Gründen in der Baugröße abweichen und auch einen mechanischen Umbau erforderlich machen werden.

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Fallstudie I
Thermoölbeheizter Dampferzeuger: Umstellung auf Frequenzumrichterregelung

Der Dampferzeuger produziert Sattdampf für die Herstellung von MDF- (Medium Density Fiber) und HDF- (High Density Fiber) Platten. Er hat eine maximale Leistung von 27 t/h und einen maximalen Thermoölvolumenstrom von 960 m³/h. Zunächst lief der Dampferzeuger mit konstantem Thermoölvolumenstrom; der Dampfdruck wurde mit Hilfe eines Dreiwegeventils geregelt. Ness Wärmetechnik hat das System mit Frequenzumrichter, Blende für das Regelventil und neuer Regelstruktur modifiziert.

Elektrischer Leistungsbedarf beim thermoölbeheizten Dampferzeuger vor und nach der Modifikation
Elektrischer Leistungsbedarf beim thermoölbeheizten Dampferzeuger vor und nach der Modifikation
(Bild: Ness )

Der Regler arbeitet nun im Split-Range-Verfahren. Das Regelventil ist ganz offen wenn mit dem Frequenzumrichter (FU) geregelt wird und regelt erst, wenn der FU bei seiner niedrigsten Drehzahl angelangt ist. Im Betrieb ergaben sich die folgenden Messwerte. Bei der HDF- bzw. MDF-Produktion konnte eine Reduzierung um 65 Prozent bzw. 55 Prozent erreicht werden.

Elektrischer Leistungsbedarf beim thermoölbeheizten Dampferzeuger vor und nach der Modifikation
Elektrischer Leistungsbedarf beim thermoölbeheizten Dampferzeuger vor und nach der Modifikation
(Bild: Ness )

Drehstromasynchronmotoren haben einen guten Teillastwirkungsgrad

Motoren werden bei Betrieb mit Festfrequenz mit einer Leistungsreserve von 15 bis 30 Prozent ausgelegt. Bei Betrieb mit Frequenzumrichter laufen DASM häufig mit weniger als 50 Prozent der Nennleistung. Es ist energetisch und wirtschaftlich also wichtig, dass auch der Teillastwirkungsgrad der Motoren hoch ist.

Teillast-Wirkungsgrade typischer Drehstrom­asynchronmotoren der Effizienzklasse IE3
Teillast-Wirkungsgrade typischer Drehstrom­asynchronmotoren der Effizienzklasse IE3
(Bilder: Ness )

Betrachtet man die Wirkungsgrade wird folgendes deutlich:

  • Bei Last zwischen 50 Prozent und 100 Prozent der Nennleistung bleibt der Wirkungsgrad praktisch gleich
  • Bei größeren Motoren ist der Wirkungsgrad bei 75 Prozent der Nennleistung sogar höher als bei Nennleistung
  • Ein merklicher Abfall des Wirkungsgrads setzt erst unter 50 Prozent der Nennleistung ein
  • Der Abfall des Teillast-Wirkungsgrads bei 25 Prozent der Nennleistung ist bei kleinen Motoren höher als bei großen
  • Selbst bei kleineren Motoren mit 15 kW beträgt der Wirkungsgrad bei 25 Prozent immer noch ca. 86 Prozent.

Andere Motorbauformen wie z.B. Drehstromsynchronmotoren, insbesondere Reluktanzmotoren, haben bei sehr kleiner Teillast einen höheren Wirkungsgrad als DASM. Sie benötigen zum Anfahren aber immer einen speziellen Frequenzumrichter, der mit denen für DASM inkompatibel ist. Vor dem Hintergrund der ausreichend hohen Teillastwirkungsgrade von DASM ist ein Austausch bestehender Antriebssysteme hin zu Drehstromsynchronmotoren eher unwirtschaftlich. Bei der Neuinvestition ist dies jedoch eine prüfenswerte Option.

Frequenzumrichterbetrieb und Optimierung der Verfahrenstechnik

Viele Anlagen sind für eine maximale Leistung ausgelegt, werden aber regelmäßig bei wesentlich niedrigerer Leistung, häufig bei veränderlicher Leistung betrieben, z.B. wenn unterschiedliche Produkte damit hergestellt werden. In allen Betriebszuständen, in denen nicht die maximale Leistung erforderlich ist, kann sehr viel Energie eingespart werden. Dies gilt besonders für Systeme mit Pumpen und Ventilatoren, bei denen der Widerstand (das Drehmoment) quadratisch mit Drehzahl bzw. Durchsatz steigt. Der Leistungsbedarf hängt dann in der dritten Potenz vom Durchsatz bzw. Volumenstrom ab. Bei halbem Massen- oder Volumenstrom ist der theoretische Energiebedarf dann nur ein Achtel dessen bei Volllast!

Verhältnis des Drehmoments und des Leistungsbedarfs der Pumpe zum Volumenstrom
Verhältnis des Drehmoments und des Leistungsbedarfs der Pumpe zum Volumenstrom
(Bild: Ness )

Selbst bei Berücksichtigung etwas schwächerer Teillastwirkungsgrade sind die so möglichen Einsparungen ein Vielfaches der Einsparungen die durch reinen Austausch der Motoren gegen Motoren höherer Effizienzklasse erreicht werden. Gleichzeitig können Qualitätsverbesserungen, z.B. in der Regelgenauigkeit, im Lärmschutz oder in der Lebensdauer erreicht werden.

Der Leistungsbedarf hängt dann in der dritten Potenz vom Durchsatz bzw. Volumenstrom ab. Bei halbem Massen- oder Volumenstrom ist der theoretische Energiebedarf dann nur ein Achtel dessen bei Volllast!

Empfohlenes Vorgehen bei Neuanlagen und bestehenden Anlagen

Es ist grundsätzlich sinnvoll, bei jeder Pumpen- und Ventilatoranwendung zu überprüfen, ob mit einem sinnvoll abgestimmten Frequenzumrichter eine signifikante Energieeinsparung möglich ist. Wenn verfahrenstechnisch bei konstanter Frequenz gefahren werden muss, ist eine Einsparung von einigen Prozent möglich. Ein Frequenzumrichter ist auch dann bei Neuanlagen in der Regel sinnvoll. Die Anlage kann dann genau auf den notwendigen Arbeitspunkt gefahren werden, notwendiges Überdesign und Sicherheitszuschläge verursachen dann nicht auf Dauer Mehrkosten.

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Das kann sich auch bei bestehenden Anlagen rechnen. Überall dort, wo Anlagen mit wechselnder Leistung arbeiten und eine sinnvolle Regelgröße wie in den vorherigen Fallbeispielen gefunden wird, sind Einsparungen von 50 Prozent möglich bei gleichzeitiger Verbesserung der Anlagenqualität (Regelgenauigkeit, Lärm, Lebensdauer,...). Dies rechnet sich bei Neuanlagen und bei bestehenden Anlagen in fast allen Fällen, weil der Investitionsaufwand nicht hoch ist. Verfahrenstechnischer Sachverstand ist jedoch erforderlich, weil in die Funktion der Anlage eingegriffen wird und unerwünschte Seiteneffekte vermieden werden müssen.

Bei Neuanlagen sollten Motoren mit hoher Effizienzklasse eingesetzt werden (IE 3/IE 4). Bei kleineren Antrieben sind auch IE 4-Reluktanzmotoren mit speziellen Frequenzumrichtern verfügbar. Sie haben den höchsten Teillast-Wirkungsgrad, sind aber mit Drehstromasynchronmotoren und -Frequenzumrichtern inkompatibel. Daher sollten auch Ersatzteilhaltung, Service und Wartung in die Entscheidung einbezogen werden.●

* *Der Autor ist Geschäftsführer der Ness Wärmetechnik.

Ergänzendes zum Thema
Fallstudie II
Mehrere parallele Heizkreise – Frequenzumrichterbetrieb und Differenzdruckregelung

Mehrere parallele Heizkreise beheizen verschiedene Zonen eines Wärmeverbrauchers. Jeder Heizkreis verfügt über ein Dreiwegeregelventil und ist individuell geregelt. Der Wärmebedarf der einzelnen Zonen hängt von Produkt und Rezept ab. Eine Pumpe mit 90 kW Motor versorgt die Heizkreise mit heißem Heizmedium. Die Regelventile der Heizkreise lassen so viel Heizmedium in den Heizkreis wie gebraucht wird und geben den Rest ungenutzt an den Anlagenrücklauf zurück.

Ness Wärmetechnik hat die ungenutzten Heizmediumströme an den Heizkreisen mit Blenden so weit gedrosselt, dass gerade der für die Pumpe bei Minimumdrehzahl nötige Volumenstrom fließt. Die Pumpe wurde frequenzgeregelt; die Regelgröße ist ein konstanter Differenzdruck zwischen Vorlauf und Rücklauf am Eintritt der Heizkreise. Nach der Modifikation konnte bei beiden Hauptprodukten eine Reduzierung des Stromverbrauchs um mehr als 50 Prozent erreicht werden.

Elektrischer Leistungsbedarf beim thermoölbeheizten Dampferzeuger vor und nach der Modifikation
Elektrischer Leistungsbedarf beim thermoölbeheizten Dampferzeuger vor und nach der Modifikation
(Bild: Ness )

Zusätzlich hat die Anlage einen Freiheitsgrad gewonnen: den einstellbaren Differenzdruck. Mit geeignet gewähltem Differenzdruck vor den Regelventilen kann die Regelgenauigkeit verbessert werden. Er kann so gewählt werden, dass alle Regelventile im guten Regelbereich zwischen zehn und 90 Prozent sind und keines der Ventile auf 100 Prozent steht. Dieser Kreis würde sonst nicht genügend Wärme bekommen.

Ein weiterer Vorteil dieser Modifikation ist, dass praktisch keine ungenutzten Heizmittelströme mehr bestehen. Bei Neuanlagen muss damit der Erhitzer/Kessel-Volumenstrom nicht mehr nach dem theoretisch maximalen Gesamtstrom der Verbraucher ausgelegt werden. Es

genügt nach dem zu erwartenden tatsächlichen maximalen Verbrauch auszulegen. Das spart auch hier Stromkosten und Investitionen. Bei bestehenden Anlagen mit begrenztem verfügbaren Heizmedium-Volumenstrom kann dieser optimal ausgenutzt werden und eine Leistungssteigerung oder Erweiterung der Verbraucheranlage erreicht werden.

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