Instandhaltung und Energieeffizienz von Pumpensystemen

Die Ursachen dafür liegen sowohl in der Konstruktion, der Auswahl der Komponenten und deren Zusammenspiel, als auch in der Einbindung der Systeme in die jeweiligen technologischen Prozesse. Und last but not least mangelt es auf jeder Stufe der Instandhaltung – von der Diagnose bis zur Modernisierung – oft an der notwendigen Konsequenz und Durchgängigkeit.

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Hoch belastete Pumpensysteme: Optimierung durch Modernisierung und bessere Instandhaltung.

Aus letzterem Aspekt ergibt sich jedoch auch die gute Nachricht: Durch Umbauten, Modernisierungen und der damit verbundenen effizienteren Instandhaltung lässt sich die Situation entscheidend verbessern. Denn Energie- und Instandhaltungseffizienz gehen meist Hand in Hand. So zeigt sich oft, dass Optimierungsmaßnahmen, die eigentlich auf eine Erhöhung der Standzeit zielten, auch den Energieverbrauch des Pumpensystems senkten. Und umgekehrt gilt dasselbe: Geringere Energiedichte im Aggregat infolge von Maßnahmen zur Energieeinsparung führt in der Regel auch zu geringeren Belastungen und damit zur Reduzierung des Instandhaltungsauwandes und zu höherer Lebenszeit. Daraus ergeben sich für die Betreiber von Pumpensystemen zwangsläufig zwei wichtige und untrennbare Aufgaben: Energiekosten und Instandhaltungskosten deutlich senken! Das ist umso überzeugender, weil diese beiden Faktoren die größten Anteile an den Lebenszykluskosten von Pumpensystemen ausmachen und weit über denn Anschaffungskosten liegen. Durch gezielte Maßnahmen lässt sich der Wirkungsgrad eines Pumpensystems erheblich erhöhen und der Energieverbrauch deutlich senken. Zudem ist es oft sinnvoll oder notwendig, ältere – aber auch neue – Pumpen in ihrer Funktionsweise zu verbessern. Das hilft dann, die Standzeiten zu verlängern und Instandhaltungskosten zu verringern.

Erste Frage: Ist der Motor richtig auf die Pumpe abgestimmt?

Ein erster Ansatzpunkt ist die Einbindung der Pumpensysteme in den Prozess. Hier sollte im ersten Schritt die Zuordnung Motor–Pumpe überprüft werden. Gegebenfalls empfiehlt sich dann im Ergebnis einer solchen Betrachtung der Austausch des Motors gegen einen anderen Typ oder eine andere Größe. Dabei ist jedoch unbedingt desssen Effizienzklasse zu beachten. Häufig driftet durch den Austausch von Komponenten oder infolge des mit der Zeit veränderten Bedarfs an Volu- menstrom oder/und Druck die Anlage vom Auslegungsoptimum weg. Bereits geringe Abweichungen vom optimalen Betriebspunkt verschlechtern jedoch den Wirkungsgrad signifikant. Sehr viele Pumpensysteme sind auch von Beginn an in ihrer Leistungsfähigkeit überdimensioniert und arbeiten daher ständig im Teillastbereich. Ein schlechter Wirkungsgrad von Pumpe und Motor und dadurch ein höherer Energieverbrauch sind die Folge. Ebenso verbrauchssteigernd wirken veralterte Anlagenkomponenten. Es sollte also immer bedacht werden, dass heute bereits moderne Anlagenkomponenten verfügbar sind, deren Wirkungsgrad höher ist, als es noch vor einigen Jahren üblich war. Oft liegen die entscheidenden Ursachen für hohe Kosten aber auch in der Auslegung der Pumpenregelungen. Das gilt insbesondere und sehr häufig dann, wenn Volumenströme oder Drücke beim Betrieb der Anlage über einen breiten Bereich verändert werden müssen. Deshalb ist zunächst einmal der Bedarf zu hinterfragen und zu klären, wo sich Volumenlassen, ohne den technologischen Prozess negativ zu beeinflussen. Vorhandene Drossel- oder Bypass-Regelungen, die meist als Energievernichter wirken, sollten dann im nächsten Schritt möglichst durch eine Drehzahlregelung mit Frequenzumrichter ersetzt werden. Ein solche Lösung bietet eine ganze Reihe von Vorteilen:

  • Bei Kreiselpumpen werden Volumenstrom und Druck kontinuierlich regelbar.
  • Bei geschlossenen Systemen, etwa bei Umwälzpumpen, gilt, dass sich der Betriebspunkt entlang einer Linie konstanten, optimalen Wirkungsgrades bewegt. Das sichert zu jedem Zeitpunkt optimale Fahrweise und besten Wirkungsgrad.
  • Da die aufgenommene Leistung proportional zur dritten Potenz der Drehzahl ist, lassen sich auch bei Teillastbetrieb enorme Energieeinsparungen erreichen.
  • Die Kavitationsgefahr sinkt.
  • Die wirkenden hydraulischen Kräfte sinken etwa im Verhältnis 1/Strömungsgeschwindigkeit 2 .
  • Die Lagerlebensdauer steigt etwa um den Faktor Strömungsgeschwindigkeit7.
  • Der Anlauf erfolgt sanfter, insbesondere bei optionalem Einsatz eines Motorstarters.
  • Es ist keine Blindleistungskompensation erforderlich.

Untersuchungen, die von der dena (Deutsche Energie-Agentur GmbH) veröffentlich wurden, zeigen, dass sich durch Optimierung der Regelung durchschnittlich 35 % des Energieverbrauchs von Pumpensystemen einsparen lassen.

Auch Veränderungen an der Pumpe können Energie einsparen

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Wirkungsgradverbesserung: Beschichtung der Laufräder sorgt für geringeren Energieverbrauch durch glatte und längere Lebenszeit bei widerstandsfähigen Oberflächen.

Als Verbesserungen an der Pumpe selbst kommen vor allem Polymer-Keramikbeschichtungen in Frage. Beschichtung von Pumpenlaufrad und Pumpengehäuse können die Standzeiten erhöhen und zudem auch den Wirkungsgrad der Pumpen verbessern – denn sie bieten einerseits Schutz vor Erosion, Korrosion, Kavitation und chemischen Angriffen, reduzieren andererseits aber auch die Reibungsverluste. Das steigert dann den hydraulischen Wirkungsgrad. Insbesondere in der Betriebnahmephase besteht zudem noch die Option, das Laufrad abzudrehen oder auszutauschen.

  • Einen weiteren Ansatzpunkt für Anlagenverbesserungen bietet die Tatsache, dass neben der altbekannten Stopfbuchsenpackung noch zwei weitere gebräuchliche Abdichtungssysteme bei Pumpen zur Verfügung stehen: die dynamische und die stationäre Gleitringdichtung. Insbesondere der Umbau auf stationäre Gleitring-Dichtungstechnik kann entscheidend zur Verbesserung des energetischen Profils beitragen. Denn im Vergleich zur Stopfbuchsenpackung und zur dynamischen Gleitringdichtung bietet dieses besonders hochwertige Abdichtungssystem folgende Vorteile:
  • Standzeitverbesserung
  • Reduzierung von „versteckten“ Kosten wie Reinigungskosten, Produktionsausfallkosten, Kosten durch Umweltschutzauflagen oder Produktverluste- Reduzierung von Reparaturkosten
  • Wirkungsgradverbesserung durch Reduzierung der Reibleistung

All diese Aspekte bieten die Möglichkeit, durch Anlagenmodernisierungen die Effizienz des Anlagenbetriebes und der Instandhaltung entscheidend zu verbessern. Sind dann die Möglichkeiten der technischen Verbesserungen an Anlage und Ausrüstung ausgeschöpft, besteht meist immer noch ein nicht unbeträchtliches Einsparungspotenzial durch Optimierung der Instandhaltungsprozesse. Um diese umzusetzen, ist es in der Regel notwendig, Prüfintervalle und Prüftiefe zu überdenken. Dazu gehört auch eine Gegenüberstellung der aktuellen Instandhaltungs- und Produktionsausfallkosten. Pumpen und Motore verlieren durch Alterung zunehmend an Wirkungsgrad und erhöhen somit maßgeblich den Gesamtenergieverbrauch. Regelmäßige Überprüfungen und Instandsetzungen sind somit unerlässlich! Wird auf dieses Thema kein oder zuwenig Wert gelegt, so ergibt sich zwangsläufig eine höhere Wahrscheinlichkeit für Anlagenausfälle. Die Konsequenz eines solchen Ausfalls sind oft sehr hohe Kosten. Das rechtfertigt dann jeden Aufwand beim Instandhaltungsmanagement, der im abgewogenen Verhältnis zu den zu erwartenden Produktionsausfallkosten steht. Somit lassen sich durch einfache Maßnahmen der Modernisierung und verbesserte Instandhaltung von Pumpensystemen erhebliche Kosteneinsparungen mit Amortisationszeiten von teilweise unter einem Jahr erreichen. Gerade in Zeiten der Wirtschaftskrise, stetig steigender Energiepreise und sehr hochgesteckter Umweltschutzziele müssen wir diese Einsparungspotenziale erkennen und uns zunutze machen.

Erich Meyer, Thomas Kasper

Chemserv Industrie Service GmbH

Praxisbeispiel – Ein Optimierungsobjekt bei Chemserv

Der Dienstleister Chemserv optimierte im vergangenen Jahr ein aus drei Kreiselpumpen bestehendes Brauchwasser- Pumpensystem, das bereits seit etwa 30 Jahren betrieben wurde. Ausgangspunkt waren folgende Parameter:

  • Betriebspunkt: 160 m3/h bei 4,7 bar (2 Pumpen)
  • Grundlast wird mit zwei Pumpen gedeckt
  • Dritte Pumpe für Spitzenlast
  • Drosselregelung für jede Pumpe
  • Halbautomatischer Betrieb über Leitsystem

Zur Bestandsaufnahme erfolgten zunächst Messungen der zugeführten elektrischen und der abgegebenen hydraulischen Energie, eine Erfassung des Allgemeinzustandes sowie die Ermittlung der aktuellen Instandhaltungskosten. Daraus abgeleitet wurden folgende Optimierungsmaßnahmen:

  • Umbau der Regelung von zwei Pumpen auf Frequenzumformer. Damit wurde der Bedarf von drei auf zwei Pumpen und der optimale Betriebspunkt der Pumpen eingestellt – was den Betrieb beim besten Wirkungsgrad bedeutet. Die Energieverluste in den Drosseln entfallen jetzt, und die Pumpen können außerdem zum Aufbau einer global optimalen Regelung der Gesamtanlage an das Prozessleitsystem angebunden werden.
  • Verwendung von EFF1-Motoren. Dieser Ersatz wurde auch deshalb notwendig, da alte Motoren nicht FUtauglich sind.
  • Umbau der Pumpen auf stationäre Gleitringtechnologie. Das bedeutete geringere Instandhaltungskosten und geringere Energiekosten infolge geringerer Reibleistung.
  • Beschichtung der Laufräder und der Gehäuse. Das bedeutete einen höheren hydraulischen Wirkungsgrad, damit Senkung der Energiekosten sowie höhere Standzeit und geringere Instandhaltungskosten. Aus diesen Maßnahmen ergaben sich folgende Einsparungen:
  • Jährliche Kosteneinsparungen durch Optimierungsmaßnahmen
  • Energiekosten/Jahr: etwa EUR 12 000
  • Instandhaltungskosten/Jahr: etwa EUR 3 500
  • Investitionskosten: etwa EUR 45 000
  • und damit eine Amortisationszeit von unter drei Jahren

Literaturtipp – Tagungsband

tagungsbandEine Zusammenfassung dieses Beitrags sowie umfangreiche weitere Materialien zur Thematik der Energieeinsparung durch Instandhaltung enthält der Tagungsband des 13. InstandhaltungsForums der Technischen Universität Dortmund im März 2009: Energieeffizienz durch Instandhaltung: Forschungsergebnisse und praktische Anwendungen.

Taschenbuch: 202 Seiten. Verlag:
Praxiswissen Service UG;
Auflage: 1 (13. März 2009)
ISBN-10: 3899570774,
ISBN-13: 978-3899570779
Preis 49,00 Euro