Wasser- und Abwasserpumpen Was Betreiber von Wasser- und Abwasserpumpen beachten sollten

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

Kommunen stehen vor der Herausforderung, bei der bekannt knappen Kassenlage trotz steigender Kosten ihren Aufgaben gerecht zu werden. Die effiziente Nutzung von Energie in der Wasser- und Abwasserwirtschaft ist ein wichtiger Lösungsansatz. Wasser- und Abwasser-Pumpen für die Versorgung mit Wasser bzw. Entsorgung von Abwasser spielen dabei eine wichtige Rolle.

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Die Pumpentechnologie „Flygt Experior“ besteht aus adaptiver N-Laufrad-Technologie, Smart-Run-Steuerung und Premium-Motoren.
Die Pumpentechnologie „Flygt Experior“ besteht aus adaptiver N-Laufrad-Technologie, Smart-Run-Steuerung und Premium-Motoren.
(Bild: Xylem)

„Die Bandbreite der Verfahren zur Energiegewinnung und zum Energiesparen im Wasser- und Abwasserbereich ist inzwischen enorm. Als fast unumgänglich wird heute beim Energiesparen im Abwasserbereich der Austausch von Anlagenteilen durch energieeffizientere Komponenten angesehen“, so Martin Weyand, Hauptgeschäftsführer Wasser/Abwasser des Bundesverbandes der Energie- und Wasserwirtschaft BDEW.

Der Energiebedarf wasserwirtschaftlicher Anlagen hängt unmittelbar mit Aufbereitungs- und Behandlungsintensität, Verteilungsstruktur und Sammlungsmethodik des Rohwassers bzw. des Abwasserstromes zusammen. In der Wasserversorgung müssen derzeit – so der Verband kommunaler Unternehmen VKU – im Durchschnitt 16,6 % der Gesamtkosten für Energie aufgewendet werden. In der öffentlichen Abwasserbehandlung entfallen sogar rund 25 % des Energieverbrauchs einer Kommune allein auf den Kläranlagenbetrieb. Keine Frage also, dass dem Thema Energieeffizienz in der kommunalen Wasserwirtschaft hohe Bedeutung zukommt.

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Eindrücklich belegt wird dies durch die Tatsache, dass über zwei Drittel der Unternehmen in den letzten Jahren erfolgreich Investitionen in energetische Optimierungen vorgenommen haben. Die kommunalen Unternehmen konnten zwischen 2006 und 2011 ihren Primärenergiebedarf durchschnittlich um 11 % senken. Bis 2016 planen die Unternehmen, 23 % Senkung zu erreichen und somit fast ein Viertel alleine durch Effizienzmaßnahmen einzusparen.

Energieeffizienz in der Wasserversorgung

Wasserversorgungsunternehmen müssen ihren Kunden Trinkwasser jederzeit in einwandfreier Qualität, ausreichender Menge und adäquatem Druck zur Verfügung stellen. Die Wasserqualität und die Versorgungssicherheit haben absolute Priorität – zugleich steht jeder Wasserversorger aber auch unter dem Druck, die Betriebskosten zu reduzieren. Ein Maß für die Wirtschaftlichkeit ist der spezifische Energieaufwand in kWh je m³ Reinwasser. Aber welcher Wert ist als „gut“ einzustufen, welcher ist eher „schlecht“? Ein interessantes Ergebnis dazu erbrachte eine Umfrage im Rahmen des Projektes „Energieeffizienz/Energieeinsparung in der Wasserversorgung“ der DVGW-Forschungsstelle TUHH an der Technischen Universität Hamburg-Harburg. Demnach liegt bei teilnehmenden 422 Versorgungsunternehmen der Medianwert des spezifischen Energieverbrauchs (Stromverbrauch) pro Kubikmeter Reinwasserabgabe bei 0,58 kWh/m³ (siehe Diagramm unten). Wer als Versorger ungünstigere Werte verzeichnet, sollte seine Technik unter die Lupe nehmen. Ein hohes Einsparpotenzial verspricht der prüfende Blick auf die Pumpen: Zwischen 25 und 50 % der Betriebskosten eines Wasserwerks entfallen auf die eingesetzten Pumpen zur Rohwasserförderung, zum Beschicken der Filteranlagen und zur Druckerhöhung.

Drei Beispiele für besonders sparsam agierende Wasserpumpen finden Sie auf der nächsten Seite.

Dazu drei Beispiele für besonders sparsam agierende Wasserpumpen: Die seit 1936 ununterbrochen produzierten Wassernormpumpen-Baureihe Etanorm von KSB umfasst in der aktuellen Generation 43 Baugrößen, die mit zwei- oder vierpoligen Motoren angetrieben werden. Zusätzliche Einheiten erweitern das vorhandene Raster und erlauben so eine noch bessere Abstimmung der Pumpengröße auf den sparsamsten Betriebspunkt. Bei ihrer Einwicklung arbeiteten die KSB-Ingenieure intensiv mit der CFD-Technik genannten computergestützten Strömungssimulation (Computational Fluid Dynamics). Mit deren Hilfe optimierten sie die hydraulischen Konturen. Ergebnis: Die Aggregate erfüllen heute schon die EU-Anforderungen (ErP-Richtlinie) der Durchführungsverordnung 547/2012/EU für Wasserpumpen, die 2015 in Kraft treten.

Dass gerade beim Fördern großer Wassermengen die Energieeffizienz eine zentrale Rolle spielt, liegt auf der Hand. Deshalb wird es der kommunale oder industrielle Betreiber zu schätzen wissen, dass Norm- und Blockpumpen NK und NB von Grundfos bereits hydraulisch mit Bestwerten glänzen (z.B. NK/NB 250-400: hydraulischer Wirkungsgrad 88 %). Bei variablen Fördermengen bieten die frequenzgeregelten Varianten NKE bzw. NBE mit dem vom Anbieter selbst entwickelten MGE-Hocheffizienzmotor (IE3 standardmäßig bis 22 kW verfügbar) durch das automatische Anpassen der Drehzahl in Kombination mit einer betriebsspezifischen Laufraddimensionierung weitere Einsparmöglichkeiten.

Die MEN-Produktreihe der einstufigen, fliegend gelagerten Wassernormpumpen von Flowserve deckt einen großen Hydraulikbereich ab und reduziert zugleich die Lebenszykluskosten. Die Pumpen sind als MENBloc auch in Blockbauweise lieferbar. Beide Ausführungen sind robust gebaut und sorgen für langjährige, zuverlässige Leistung, versichert der Anbieter.

Energieeffizienz in der Abwasserwirtschaft

In Deutschland sind mehr als 96 % der Bevölkerung an die kommunale Abwasserentsorgung angeschlossen. 515 000 km umfasst das Kanalnetz, das die Abwässer zu rund 10 000 kommunalen Kläranlagen leitet.

Die Kläranlagen sind mit durchschnittlich 20 % Anteil in der Regel die größten Stromverbraucher im kommunalen Bereich und verbrauchen mehr Strom als Schulen, Krankenhäuser, Verwaltungsgebäude oder andere kommunale Einrichtungen. Der Gesamtstromverbrauch der 10 000 Kläranlagen liegt in der Größenordnung von 4400 GWh pro Jahr. Das UBA schätzt, dass etwa 20 % dieser Energie eingespart werden könnte – wenn die Betreiber effizienter belüften, Aggregate besser steuern sowie Motoren und Pumpen der höchsten Energieeffizienzklasse einsetzen würden.

Die Belüftung erfordert in der Regel den mit Abstand größten Energieaufwand von allen Verfahrensschritten einer kommunalen Abwasserbehandlungsanlage. Weitere Verbraucher mit hohem Stromverbrauch sind die kontinuierlich laufenden Pumpen (Zulauf, Zwischenhebewerke, Rückführung des Rücklaufschlamms, interne Kreislaufführung, Faulschlammumwälzung im Faulturm). Die drittgrößte Verbrauchergruppe bilden in der Regel die kontinuierlich laufenden Rührwerke, z.B. für die Denitrifikation und im Faulturm.

Voraussetzung für eine energetische Optimierung ist zunächst einmal eine Analyse des Ist-Zustands bei den größten Stromverbrauchern (Verdichter und Pumpen).

Wie lassen sich mit vergleichsweise geringem Aufwand deutliche Energieeffizienzsteigerungen erzielen? Das verraten wir auf der nächsten Seite.

Mit geringem Aufwand zu mehr Energieeffizienz

Ein erster Ansatzpunkt, mit vergleichsweise geringem Aufwand deutliche Energieeffizienzsteigerungen zu erzielen, ist, Pumpen und Verdichter nur mit Motoren hoher Effizienzklasse einzusetzen.

So hat beispielsweise Wilo seine Pumpen- und Systemtechnik den gestiegenen Anforderungen in der Abwasserwirtschaft angepasst: mit einem breiten Programm an energieeffizienten Tauchmotorpumpen und Rührwerken für die kommunale Abwasserentsorgung und Klärwerkstechnik. Als jüngste Meilensteine gelten die Laufradbaureihe „Solid“ für den wirkungsgradoptimierten Einsatz in stark feststoffhaltigen Rohabwässern sowie besonders energiesparende und wirtschaftliche IE3-Motoren für Tauchmotorrührwerke. Auch neue Feststoff-Trennsysteme sorgen für mehr Betriebssicherheit und neue Dimensionen der Energieeffizienz, so der Hersteller.

Die von Xylem präsentierte Pumpentechnologie „Flygt Experior“ besteht aus adaptiver N-Laufrad-Technologie, Smart-Run-Steuerung und Premium-Motoren: Die Technologie sorge für niedrigste Energiekosten sowie für höchste und konstante Wirkungsgrade im Abwassereinsatz bei unübertroffener Verstopfungsfreiheit, betonen die Entwickler. Sie verweisen zudem auf die intelligenteste Steuerung von Abwasserpumpen, die derzeit erhältlich sei. Sie sorge dafür, dass bei jedem Pumpenzyklus der energetisch bestmögliche Betriebspunkt durch Drehzahlanpassung erreicht wird. Erste Fallstudien zeigen, dass der Einsatz von Flygt-Pumpen mit Experior-Technologie Energieeinsparungen von bis zu 50 % ermöglicht.

Andritz setzt bei Pumpen, wo der Betreiber hohe Anforderungen an Betriebssicherheit, Wartungsfreiheit, Standzeit, Wirkungsgrad und flexible Förderhöhen legt, nicht mehr auf das Konzept der durchgängigen Welle, sondern auf die Modular Shaft Technology: Sie biete Vorteile durch die flexible Anpassung an sich verändernde Förderbedingungen durch das einfache Ergänzen bzw. Reduzieren der Stufenzahl.

Fazit

Der Betrieb von Pumpen in der Wasserwirtschaft ist wesentlicher Kostenfaktor. Die Betreiber sollten das Angebot vieler Hersteller in Anspruch nehmen, die Lebenszykluskosten der bereits installierten Pumpen in Augenschein zu nehmen – fast immer lohnt sich der Austausch gegen moderne, effizientere Aggregate. Das gilt auch, wenn die Pumpen technisch ihre Funktion erfüllen.

* Der Autor ist freier Mitarbeiter bei PROCESS.

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