Richtige Dimensionierung führt zu erhöhter Energieeffizienz

Annähernd 70% des industriellen Strombedarfs entfallen in Europa auf elektrisch betriebene Motorsysteme. Das ist das Ergebnis einer Studie für die Europäische Kommission. Die Pumpensysteme tragen mit 288 TWh Strom pro Jahr dazu bei, dass der Betrieb in den Unternehmen vorankommt.

Das entspricht der Jahresproduktion von 27 Kernkraftwerken oder dem 21-Fachen des Stromverbrauches der Deutschen Bahn. Werden Pumpensysteme optimiert, können bis zu 30% des jährlichen Strombedarfs eingespart werden.

Einsparpotenziale können sowohl durch elektronische als auch mechanische Optimierung von Systemen erzielt werden. Viele der Technologien für höhere Energieeffizienz sind lange marktreif und können unmittelbar genutzt werden. Dabei sind die Einsparpotenziale gut versteckt im gesamten fließenden System von den Antriebsmotoren über Steuerung und Verteilungsnetz bis zur Anwendung.

Der Wirkungsgrad der gesamten Kette wird allerdings am stärksten vom schwächsten Glied beeinflusst. Die Verluste werden oft unterschätzt und an der Technik wird gespart. Es lohnt sich also, die Pumpenanlagen als Ganzes unter die Lupe zu nehmen.

Energieeffizienz erfordert ganzheitliche Betrachtung

Pumpensysteme sind in Industrieprozessen häufig Anlagen der Querschnittstechnologie. Das sind Techniken, die quer durch viele Branchen Einsatz finden. Kreiselpumpen haben mit 73% den größten Anteil am Pumpenmarkt.

Der Wirkungsgrad ist für jede Pumpe nur an einem Punkt, bei entsprechendem Druck und Volumenstrom, optimal.Welche Energieeffizienz erzielt wird, ist damit entscheidend abhängig von der Pumpenkennlinie und den Einbauverhältnissen. Zu letzteren gehören die angeschlossenen Rohrleitungen mit den Eigenschaften Durchmesser und Länge sowie die Fittings, Regelorgane und die Anwendung des Fluids.

Ein guter Wirkungsgrad ist nur dann erzielbar, wenn die Einbauverhältnisse und Pumpenkennlinie nahe am Bestpunkt zusammentreffen. Dies ist leider selten der Fall.

Wichtigstes Anschaffungskriterium für Pumpen bleibt die Zuverlässigkeit

Bei Querschnittstechnologien steht bislang allein die Betriebssicherheit im Vordergrund. Sie erfahren vor allem dann Aufmerksamkeit, wenn ihre Funktion gestört ist.

Die Zuverlässigkeit von Pumpen im Speziellen ist von überragender Bedeutung, weil ein Ausfall des Pumpensystems in vielen Anwendungen zu folgeschweren Schäden an anderen Systemen führen kann – besondere in Fällen, bei denen es sich um Kühl- oder Schmiermittelpumpen handelt. Die dadurch entstandenen Produktionsstillstände kann Lieferverzögerungen und signifikante Kosten bewirken.

Aus diesem Grund werden Pumpensysteme häufig überdimensioniert, um auf der scheinbar sicheren Seite zu sein. Allerdings vergeuden überdimensionierte Pumpen Strom. Zudem nimmt die Zuverlässigkeit von Pumpen durch Größe nicht zu. Aufgrund von ungünstigen Belastungszuständen können sogar der Verschleiß und der Wartungsaufwand erhöht und dadurch die Zuverlässigkeit vermindert werden.

Pumpensysteme oft überdimensioniert und nicht energieeffizient

Bei Kaufentscheidungen sind vielfach die Verhältnisse im Einbauzustand nicht exakt bekannt. Müssen die Entscheidungen zudem schnell getroffen werden, liegen den Angeboten nicht immer die Kennlinien bei.

Systeme einer Querschnittstechnologie, zum Beispiel Pumpenanlagen, haben eine unterstützende Produktionsfunktion, sie steht im Schatten des Produktionsprozesses. Verschiedene Erfahrungen aus der Beratungspraxis zeigen auf, dass durch die Personalpolitik der Unternehmen in den vergangenen Jahren eigenes Personal gut ausgelastet ist und hierdurch effizienzsteigernde Optimierungen gerade in den Querschnittstechnologien ins Hintertreffen geraten sind. Es ist zeitaufwändig, bei der vielfältigen Technik und deren technischer Entwicklung fortwährend auf dem Laufenden zu bleiben.

Wesentlich für Energieeinsparung ist eine gute Datenbasis

Selbst wenn Beauftragte der Unternehmen mit Energiefragen betraut sind, ist eine gute Datenbasis für die Erschließung von Effizienzpotenzialen erforderlich. Bei einigen Techniken der Infrastruktur verändern sich die Betriebsbedingungen im Verlauf mehrerer Jahre. Hier lohnt sich kontinuierliche Bereitstellung und Unterhalt aufwändiger Mess- und Datenspeichergeräte nicht.

Querschnittstechnologien sind allerdings das Kerngeschäft herstellerunabhängiger Planer und Berater. Sie verfügen über die Messtechnik und das Know-how, professionelle Analysen der Systeme vorzulegen.

In der Praxis ist die technische Anlagenbetreuung sehr häufig mit knappem Budget ausgestattet und auf Sparen getrimmt. Der Einkauf ist andererseits auf niedrige Einkaufspreise fixiert. Selten ist die Verantwortung für Energiekosten der Querschnittstechnik klar zugeordnet.

Energieeffizienz verlangt interdisziplinäres Management

Aus diesen Gründen verwundert es nicht, wenn hier vielfach Effizienzpotenziale zu finden sind. Energieeffizienz lässt sich nicht einfach verordnen, sondern verlangt interdisziplinäres Management. Der Zusammenhang lässt sich gut anhand der Lebenszykluskostenrechnung darstellen.

Die Lebenszykluskostenrechnung (LZK) betrachtet die Gesamtkosten der Anlagentechnik während ihrer Nutzungsdauer. Die Energiekosten bei Pumpensystemen haben einen Anteil von 82% an den Gesamtkosten, während die Investitionskosten demgegenüber lediglich 8% betragen.

Die Steigerung der Energieeffizienz schon um wenige Prozentpunkte hat damit großen Einfluss auf die Betriebskosten. Gerade deshalb ergeben sich oft besonders wirtschaftliche Investitionen in effiziente Technik.

Fokussierung auf Anschaffung versperrt Blick auf Folgekosten

Die Senkung energiebezogener Betriebskosten sollte bei der wirtschaftlichen Betrachtung motorgetriebener Systeme im Mittelpunkt stehen. Liegt bei der Neubeschaffung von Anlagen der Fokus allein auf den Investitionssummen, kann man davon ausgehen, dass in den Folgejahren Finanzmittel verschwendet werden.

Bereits nach zwei Jahren übersteigen die Energiekosten den Invest. Das ist eine Herausforderung für die verantwortlichen Führungskräfte, angesichts der organisatorischen Trennung von Einkauf und Betrieb darf das unternehmerische Optimum nicht verloren gehen.

Der entscheidende Moment für die Gesamtkostenbetrachtung ist die Neu- oder Ersatzbeschaffung. Bei diesen Entscheidungen sollte die Kapitalrendite der Mehrkosten für das effizientere Produkt gerechnet werden. Diese Rendite kann Beträge erreichen, die alternativ nur mit riskanten Börsenspekulationen zu erzielen sind. Eine Investition in effiziente Technik im eigenen Unternehmen ist in solchen Fällen vielfach solider und weitsichtiger.

Energieeffizienz muss Ziel der Unternehmensleitung sein

Aber auch bei bestehenden funktionierenden Pumpenanlagen lohnt es sich, detaillierte Betrachtungen anzustellen. Nur bei genauer Kenntnis der Querschnittstechnik lassen sich die Effizienzpotenziale erkennen, die in manchen Unternehmen schlummern.

Damit ist man auch bei Ersatzentscheidungen entsprechend vorbereitet, so dass nicht aus Zeitnot einfach die bestehende Alttechnik erhalten wird. Nur wenn es ein Anliegen der Unternehmensleitung ist und die verantwortlichen Positionen entsprechend ausgestattet sind, gelingt es, die unterschiedlichen Sektionen zum Ziel der Energieeffizienz zusammenzuführen.

Anhand der folgenden Fragen können Unternehmen erkennen, welche Bedeutung die Querschnittstechnologien im Fertigungskontext haben:

-Wie hoch ist der Anteil der Stromkosten, insbesondere der motorbetriebenen Systeme?

-Welcher Wettbewerbsvorteil ergibt sich durch energieeffizientere Querschnittstechnik?

-Welche Rolle spielen nichtmonetäre Faktoren wie Zuverlässigkeit der Produktionsanlagen und Produktqualität?

-Wer ist verantwortlich?

-Werden die Energiekosten kontinuierlich erfasst und den richtigen Stellen kommuniziert?

Dabei muss berücksichtigt werden, dass in großen Unternehmen mehrere Vollzeitstellen für diese Aufgabe erforderlich sind, falls keine externe Spezialisten eingebunden werden sollen.

Wie bei Energiefragen nicht selten der Fall, sind in Unternehmen der Bedarf der Fluidmenge und der notwendige Druck nicht immer exakt bekannt. Hin und wieder werden wegen Fluidmangel an einzelnen Maschinen Druck und Menge erhöht.

Dabei spielt die Hierarchie im Unternehmen nicht selten eine Rolle. Produktion geht vor, also hat alles andere zu folgen. Es wird dann als schnelle Maßnahme an den Drosselklappen gedreht, obwohl eventuell die Engpassbeseitigung im Netz langfristig betrachtet der richtige Weg wäre.

Zusätzliche Mess-Stutzen für die Rohrprüfung der Pumpenanlagen können nötig werden

Bei bestehenden Pumpenanlagen ist eine Analyse des Ist-Zustandes erforderlich. Die Dokumentation der charakteristischen Größen Druck, Volumenstrom, Leistung und jährliche Betriebsdauer sollte nach Möglichkeit bei allen Pumpensystemen des Unternehmens erfolgen. Die erste Systembeschreibung basiert auf den Typenschilddaten, auf Bestellunterlagen oder Wartungsplänen sowie den buchhalterischen Aufzeichnungen über den Instandhaltungs- oder Ersatzaufwand.

Für die Ermittlung der Rohrleitungsverhältnisse ist es unter Umständen unumgänglich, zusätzliche Messstutzen für die Aufnahme der Messgeräte zu schaffen. Die Aufzeichnungen von Volumenstrom und Druck müssen dann zu Produktionszeiten erfolgen, die typische Einsatzfälle widerspiegelt.

Erst wenn die Zusammenhänge klar dargestellt sind, können die schlummernden Effizienzpotenziale aufgedeckt werden. Durch die Bewertung des gesamten Systems lässt sich feststellen, welche Maßnahmen kurzfristig umsetzbar sind, welche Maßnahmen noch näher untersucht werden müssen und welcher Invest weniger oder hoch rentabel ist.

Pumpen-Check für mehr Energieeffizienz

Die Energieagentur Mittelfranken bietet hierfür den EAM-Pumpen-Check an. Die Bestandsaufnahme fokussiert sehr schnell die Aufmerksamkeit auf die Potenziale, die kurzfristig Verbesserungen bringen.

Allerdings sind die Optimierungen nach ABC-Analysen zu strukturieren und in Aktionspläne einzubinden. Es gilt, die Chancen zu nutzen, die bei Ausfall von Komponenten bestehen, um energieeffizientere Neutechnik in Einsatz zu bringen. Nachfolgend eine Übersicht über Effizienzpotenziale in bestehenden Anlagen:

-Zu große Pumpen sind die wichtigste Ursache für vergeudete Pumpenenergie. Über den Ersatz der Pumpen oder andere Maßnahmen ist nachzudenken. Alternativ besteht in einigen Fällen die Möglichkeit, die Laufräder auszutauschen oder abzudrehen um damit die Leistung zu reduzieren. Dies ist eine kostengünstige Methode zur Korrektur der Fördermengen.

-Bypass-Ströme geben generell einen Hinweis auf vergeudete Energie. Die Regelung von Fördermengen auf diese Weise ist denkbar ungünstig.

-Durch Splitten der Förderung auf verschiedene Pumpen kann der Förderbedarf an Bedarfsschwankungen und unterschiedliche Anfragen angepasst werden. Wenn mit Überkapazität gearbeitet wird, weil die Förderströme schwanken, kann die Fördermenge bei Mehrpumpenanlagen automatisch durch den Einbau von Druckschaltern an einer oder mehreren Pumpen geregelt werden. Effizienzsteigerung durch Aufteilung der Förderaufgaben auf verschiedene Pumpen und gegebenenfalls weitere Netze kann auch sinnvoll sein, wenn unterschiedliche Drücke notwendig sind. Der Wirkungsgrad von Mehrpumpensystemen ist vom optimalen Einsatz der Pumpen beim jeweiligen Lastfall abhängig. Die Pumpen werden bedarfsangepasst zu- oder abgeschaltet, so dass sie möglichst nahe am jeweiligen besten Betriebspunkt betrieben werden.

-Durch Abtrennen von Teilen des Leitungsnetzes bei fehlendem Bedarf können die Umwälzmengen und damit der Energieverbrauch reduziert werden.

-Die einfachste Methode, Energie einzusparen, ist immer noch abschalten. Dennoch gibt es Heizungspumpen, die außerhalb der Heizungsperioden im Betrieb sind.

-Das regelmäßige Entlüften der Rohrleitungen und Reinigen der Schmutzfänger vermeidet unnötigen Druckverlust.

-Durch Vergrößerung des Rohrleitungsdurchmessers, Einsatz von Bögen statt Winkeln, Absperrventilen mit großen Querschnitten und kurzen Rohrleitungen kann großer Einfluss auf den Energiebedarf genommen werden.

-Änderungen an Anlagenbetriebsbedingungen sind immer Ansatzpunkt einer Analyse.

-Erweiterungen oder Stilllegungen von Netzabschnitten haben fast immer die Betriebsverhältnisse und damit den Wirkungsgrad verändert.

-Durch unterschiedliche Bauweisen der Motoren kann unterschiedliche Effizienz erzielt werden. Was bei Kühlschränken längst selbstverständlich ist, hat sich bei Elektromotoren noch nicht durchgesetzt. Bislang werden in Europa immer noch zu 80% Elektromotoren der Effizienzklasse 2 gekauft. Eine einfache Wirtschaftlichkeitsbetrachtung kann aufzeigen, dass je nach jährlicher Betriebsdauer mit der Investition in Hocheffizienzmotoren Renditen von bis zu 40% zu erreichen sind.

-Durch sich im Laufe der Zeit bildende Ablagerungen kann der Wirkungsgrad einer Pumpe stark abnehmen. Bereits die Oberflächenrauigkeit neuer Laufräder und Pumpengehäuse kann sich jedoch deutlich unterscheiden. Verkrustungen und Ablagerungen sollten regelmäßig beseitigt werden. Hier kann das Polieren, Strahlen oder Beschichten der Flächen Besserung bringen (Bild 6). Im bestmöglichen Fall kann durch Senken der Reibungsverluste der Pumpenwirkungsgrad um bis zu 20% gesteigert werden.

-Exzessiver Wartungsaufwand und starke Pumpengeräusche weisen auf ungünstige Einsatzbedingungen hin. Es kann sich hierbei um Kavitation, stark abgenutzte Pumpen oder übermäßige Druckverluste handeln. Eine Aufzeichnung des Bedarfs sollte erfolgen und die Druckverluste sollten abschnittsweise gemessen und überprüft werden.

-Pumpenleistung und Wirkungsgrad sinken, wenn die interne Leckage durch übermäßiges Spiel zunimmt. Die Gleitlager und Laufradringe sind zu kontrollieren und gegebenenfalls auszutauschen.

-Die Regelung von Fördermengen durch Drosselventile oder -klappen sind trotz Bedarfs an konstanter Förderhöhe und konstantem Förderstrom weit verbreitet. Diese Konstellation weist jedoch auf Überkapazität hin. Das Regeln einer Kreiselpumpe durch das Drosseln des Förderstroms vergeudet Energie. Die Drosselregelung ist allerdings weniger energieverschwendend als zwei verbreitete Alternativen: keine Regelung oder Bypassregelung.

-Eine elegante Methode, Pumpensysteme an einen schwankenden Bedarf anzupassen, besteht in Antrieben mit veränderlicher Drehzahl.

Solche variablen Antriebe ergeben die höchsten Einsparungen. Sie passen den Volumenstrom mit hoher Energieeffizienz an die variierenden Systemerfordernisse an.

Energieeffizienz steigernde Technik kann hochrentabel sein

Energieeffizienz steigernde Maßnahmen führen dazu, dass Zuverlässigkeit und Energieproduktivität bei der Querschnittstechnik Pumpensystem ansteigen. Gute Strategen erkennen Trends und interpretieren die Auswirkungen auf das Kerngeschäft. Der Trend der Energiekosten ist unübersehbar. Der Einfluss auf Energiepreise innerhalb Europas ist begrenzt.

Erfolgversprechender ist es, im eigenen Unternehmen die Trendauswirkungen anzugehen. Zum Beispiel muss entschieden werden, ob man sich einerseits kostenintensive Produktion auf Dauer leisten kann.

Andererseits können Investitionen in effizienzsteigernde Technik bei geringem Risiko hochrentabel sein. Hierzu ist interdisziplinäres Management mit entsprechender Befugnis erforderlich. Bei den Querschnittstechnologien gibt heutzutage es gute Ansätze, um Unternehmen mit Hilfe von kompetenten Beratern nachhaltig zu festigen und die Produktionsmargen zu steigern.

Literatur

[1] Falkner, H.: Report Nr. 2 zur EuP-Richtlinie Water Pumps (in commercial buildings, drinking water pumping, food industrie, agriculture), Oktober 2006.

Dipl.-Ing. Stefan Kupp ist stellvertretender Geschäftsführer der Energieagentur Mittelfranken e.V. in 90443 Nürnberg.