Angepasste Stromsparer

Exklusiv in kem Der Autor Horst Stegmüller ist freier Journalist in Sankt Leon-Rot

Pumpen sind in der Industrie unverzichtbar und allgegenwärtig, und kaum eine Industrieanlage kommt ohne größere oder kleinere Pumpen aus. So unterschiedlich sie in ihren Größen und Ausführungen aber auch sind, so haben sie doch eines häufig gemeinsam: Sie verbrauchen vielfach mehr Energie als nötig. Die geschätzten Einsparpotenziale alleine in der deutschen Industrie erreichen eine Größenordnung von 15 Mrd. kWh jährlich – das entspricht der Leistung von zwei Kraftwerksblöcken mit je 800 MW.

Die Ursachen dieses vermeidbaren Energieverbrauchs liegen auf der Hand: Entweder werden Pumpenleistungen bei der Auslegung mit Sicherheitszuschlägen berechnet oder die Anlagen bzw. die Prozessbedingungen verändern sich, ohne dass die Pumpenleistungen an die neuen Gegebenheiten angepasst werden.

Mit dem „SES System Effizienz Service“ bietet KSB seinen Anwendern eine Dienstleistung an, die es erlaubt, solche Einsparpotenziale bei Pumpen und den dazugehörigen Anlagen präzise zu erfassen und möglichst vollständig zu nutzen. Wie hoch der wirtschaftliche Vorteil aus einer konsequenten Ausschöpfung dieser Einsparpotenziale ist, erfahren die KSB-Ingenieure immer wieder: Einsparungen von 20 bis 40 % sind dabei eher die Regel als die Ausnahme.

Wie der konsequente Blick auf den Energieverbrauch von Pumpen zu erheblichen Einsparungen führen kann, zeigt das Beispiel der Solvay Fluor GmbH. Das Unternehmen hatte 2009 im Werk Bad Wimpfen das Rückkühlwerk für seine Anlage zur Produktion von Fluorwasserstoff modernisiert und dabei auch einen neuen Kühlturm installiert.

Um sicherzustellen, dass die installierte Pumpenleistung auch nach der Modernisierung zum Bedarf der Anlage passte, gaben der technische Leiter Christian Hamel und der Leiter der Projektabteilung, Klaus-Dieter Schwab, beim SES System Effizienz Service die Überprüfung und Optimierung der Pumpen in Auftrag.

„Wir verfolgten damit das Ziel, unseren Energieverbrauch zu senken, denn Veränderungen in unseren Produktionsprozessen hatten zu einem reduzierten Kühlwasserbedarf geführt, sodass die alten Pumpen außerhalb ihres ursprünglichen Betriebspunktes liefen“, erläutert Schwab. „Daher wollten wir unseren Kühlwasserbedarf zunächst neu bestimmen und unseren Energieverbrauch mit modernen, exakt an den Bedarf angepassten Pumpen auf das absolute Minimum senken – und haben damit letztlich eine Reduktion um rund 25 Prozent erreicht.“

Der SES, mit dem diese Einsparungen realisiert werden können, ist in mehrere Einzelschritte gegliedert: Der erste Schritt besteht in einer Begehung, bei der sich die Ingenieure von KSB einen Überblick über die Anlage und ihre Komponenten verschaffen.

In der sich anschließenden Messphase werden alle bedeutsamen Messgrößen der Anlage mit speziell entwickelten Datenloggern aufgezeichnet. Zusätzlich zu saug- und druckseitigem Druck, Temperaturen und Durchflussmengen werden dabei auch elektrische Kenngrößen wie Spannungen, Ströme, Leistungen und Drehzahl gemessen. Durch die Erfassung der an den Lagerträgern auftretenden Schwingungen lässt sich zudem der Verschleißzustand von Pumpen beurteilen. Die Schwingungsmesswerte geben aber auch Hinweise auf Unwuchtprobleme, Fehlausrichtungen und Verspannungen. Selbst Schwingungen, die aus anderen Komponenten der Anlage auf die Pumpen übertragen werden, können so erkannt und behoben werden, bevor sie größere Schäden nach sich ziehen.

Die Daten werden meist über einen Zeitraum von ein bis drei Wochen hinweg gesammelt und bei Bedarf durch längerfristige Messwerte aus den Aufzeichnungen des Betreibers ergänzt, zum Beispiel in Anlagen, bei denen die Pumpenleistung größere jahreszeitliche Schwankungen aufweist.

Die gesammelten Daten werden einer intensiven Analyse unterzogen und dienen als Basis für die Ausarbeitung konkreter Verbesserungsvorschläge. Sie verfolgen das Ziel, den Energieverbrauch zu senken, Laufzeit und Verfügbarkeit von Pumpen und Anlagen zu verbessern und Schäden durch Verschleiß zu minimieren.

Die Messwerte und die daraus entwickelten Handlungsempfehlungen werden dem Anwender in einer übersichtlichen Präsentation zur Verfügung gestellt. Sie zeigt auf, welche Einsparungen mit welchen Maßnahmen erreicht werden können, wie sich Schäden in der Zukunft vermeiden lassen und wie sich die vorgeschlagenen Maßnahmen auf Kosten, Verbrauchsreduzierungen und Amortisationszeiten auswirken.

Den finalen Abschluss eines Projektes bildet eine kostenlose Zweitmessung, mit der für alle Seiten die Wirksamkeit der empfohlenen Optimierungsmaßnahmen unzweifelhaft dokumentiert wird.

„Die Transparenz, die wir durch unsere Messdaten gewinnen, ist der Dreh- und Angelpunkt, wenn es darum geht, Optimierungspotenziale eindeutig zu identifizieren“ sagt Dr.-Ing. Falk Schäfer, Leiter des SES System Effizienz Service bei KSB. „Unsere präzisen Messungen versetzen uns in die Lage, eine Anlage nach objektiven Kriterien zu beurteilen und zu einer fundierten Entscheidung über Verbesserungsmaßnahmen zu kommen – oder im Fall der Zweitmessung auch die Wirksamkeit der von uns vorgeschlagenen Maßnahmen dokumentieren zu können.“

Bei Solvay waren im Kühlwasserkreislauf zwei Rohrgehäusepumpen des Typs „Wernert VZ 250/250-470“ im Einsatz. Die Pumpen des Baujahrs 1976 arbeiteten meist im Einzelbetrieb und stellten Kühlwasser bereit, das aus einem offenen Sammelbecken unterhalb des Kühlturms entnommen wurde.

Um das Betriebsverhalten und das tatsächliche Lastkollektiv der Rohrgehäusepumpen zu ermitteln, wurde im November 2009 von der KSB Service GmbH eine Systemanalyse mit Vor-Ort-Messungen durchgeführt. Dazu wurden in der Anlage zwei Datenlogger-Messsysteme installiert, die neben den Betriebsdrücken auch die Schwinggeschwindigkeit am Lagerträger der Pumpen erfassten, während die Werte zur geförderten Durchflussmenge und zum Wasserstand in der Einlaufkammer aus den Aufzeichnungen in der Leitwarte übernommen wurden. Zur direkten Bestimmung der Wirkleistung wurden zusätzlich mobile Leistungsmessgeräte in den Schaltschränken der beiden Pumpen installiert.

Die Messungen zeigten, dass die beiden Pumpen je nach Fördervolumen Leistungen zwischen 80,3 und 93,5 kW aufnahmen. Sie waren ursprünglich für einen optimalen Förderstrom von 600 m³/h im Optimum ausgelegt worden, förderten in rund 90 % der Betriebszeit aber lediglich 300 m³/h und in den restlichen 10 % der Betriebszeit 400 m³/h. Beide Pumpen waren also deutlich überdimensioniert, denn Änderungen in den Prozessbedingungen und der Bau des neuen Kühlturms hatten dazu geführt, dass lediglich ein Förderstrom von 400 m³/h benötigt wurde, der selbst bei einer möglichen Erweiterung um eine zusätzliche Kühlturmzelle maximal auf 450 m³/h steigen würde.

Auf der Suche nach einem energieoptimierten Ersatz für die alten Rohrgehäusepumpen führten die Ingenieure von KSB einen Vergleich zwischen mehreren Ausführungen von vertikalen Spiralgehäusepumpen des Typs GPV-W, Tauchmotorpumpen des Typs KRTK und Bohrlochwellenpumpen des Typs B16 durch.

Die exakte Gegenüberstellung von Leistungen, Einsparungen und Amortisationszeiten zeigte, dass der Ersatz der vorhandenen Pumpen durch vertikale Spiralgehäusepumpen des Typs GPV-W 150-400 zu einer energetischen Optimierung führen würde, ohne dass dazu größere Umbauten erforderlich würden. Dieser Pumpentyp wies bei einem Förderstrom zwischen 310 und 390 m³/h und einem Förderhöhenbereich von etwa 60 m einen Leistungsbedarf zwischen 65 und 79 kW auf. Damit war eine jährliche Energieeinsparung von 99 776 kWh möglich, also ein Rückgang um etwa 25 %. Die daraus zu erwartende Kosteneinsparung lag bei etwa 9978 € pro Jahr, die Amortisationszeit betrug angesichts der Investitionskosten von etwa 18 000 € rund 1,9 Jahre.

Das Technikteam von Solvay installierte die neuen Pumpen in Eigenregie und nahm sie im Dezember 2010 in Betrieb. Zur Ermittlung eines zweiten Lastkollektivs und zur Überprüfung der Effizienz der neu installierten Pumpen wurde im Februar 2011 vor Ort die kostenlose Zweitmessung durch KSB durchgeführt.

Die Schwingungsmessung zeigte unauffällige Werte und die vom Betreiber zur Verfügung gestellten, von KSB per Ultraschallmessung verifizierten Messdaten der Durchflussmessung zeigten, dass die Pumpen im Wechselbetrieb nun einen Volumenstrom von etwa 365 m³/h fördern. Die Leistungsaufnahme betrug dabei 76 kW, sodass die die Wellenleistung der Pumpen unter Berücksichtigung von Motorwirkungsgrad und Kabelverlusten bei 71,6 kW lag. Die Einsparungen gegenüber den alten Pumpen betragen damit 23,8 %. Berücksichtigt man den veränderten Betriebspunkt und rechnet auf die früheren Förderströme von 310 beziehungsweise 390 m³/h um, so liegt die Einsparung bei 28,7 % und ist damit sogar noch etwas höher als ursprünglich prognostiziert. Da die beiden neuen Pumpen ganzjährig in Betrieb sind, liegen die Kosteneinsparungen sogar noch deutlich höher als ursprünglich angenommen: Sie summieren sich auf insgesamt 20 700 € pro Jahr.

Zu diesen Einsparungen gesellt sich noch ein weiterer erfreulicher Effekt, denn die neuen Pumpen arbeiten viel leiser als die alten, sodass auch die Schall- und Lärmemissionen des Werkes vermindert wurden.

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