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Mehr Energieeffizienz bei Industriepumpen: Wirkungsgrade und Vorteile unterschiedlicher Aggregate im Vergleich

Von Thomas Bökenbrink, Lead Product Manager Pumps, LEWA GmbH

 

Jährlich fließen etwa 10 bis 25 Prozent des weltweit erzeugten Stroms in den industriellen Betrieb von Pumpen. Das Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung errechnete, dass allein für Deutschland ein Anteil von 12 Prozent am Gesamtstromverbrauch in den Betrieb industrieller Pumpen fließen. Gemäß dem 2010 von der Bundesregierung beschlossenen „Energiekonzept für eine umweltschonende, zuverlässige und bezahlbare Energieversorgung“ sollen Industriepumpenhersteller jedoch die Energieeffizienz ihrer Technik zukünftig um etwa 2,1 Prozent erhöhen und auch die Umweltbelastung – beispielsweise durch CO2-Emissionen – erheblich reduzieren. Um dies zu bewerkstelligen, empfiehlt es sich, eine Anlage ganzheitlich zu betrachten und die einzelnen Parameter des jeweiligen Pumpentyps miteinander zu vergleichen, ehe man sich für eine Pumpenlösung entscheidet. Beispielsweise wird so im Vorfeld abgeklärt, ob nun eine Kreiselpumpe oder eine oszillierende Verdrängerpumpe in Frage kommt. Auf diese Weise können sowohl Energie als auch Betriebskosten effizient eingespart werden.

Das „Energiekonzept für eine umweltschonende, zuverlässige und bezahlbare Energieversorgung“ sieht vor, dass die Energieproduktivität von Pumpenanlagen im industriellen Sektor um 2,1 Prozent pro Jahr gesteigert und darüber hinaus der CO2-Ausstoß minimiert werden soll. Entscheidend für die Einhaltung dieser Forderungen sind neben der Verwendung energieeffizienter Motoren die genaue Auswahl der jeweiligen Technologien und die Abstimmung dieser Technologien auf die Leistungs- und Einsatzbereiche. Faktoren, welche die Energieeffizienz der Pumpen beeinflussen können, sind ebenfalls in die Auswahl, Optimierung und Installationsplanung miteinzubeziehen: Dazu gehören vor allem die Betrachtung des Betriebspunktes und dessen Variabilität, des Förderstroms und Druckbereichs sowie der Spalt- und Reibungsverluste in der gesamten Pumpe. 

Kreisel- versus Verdrängerpumpen sowie ihre Vorteile

Um herauszufinden, welche Anlage für die jeweilige Anwendung gerade im Hinblick auf ihre Energieeffizienz sinnvoll ist, müssen jedoch zunächst die Wirkungsgrade der unterschiedlichen Pumpentypen exakt miteinander verglichen werden: Kreisel- sowie rotierende Verdrängerpumpen weisen in der Regel einen eher niedrigen Wirkungsgrad auf und fallen daher in vielen industriellen Anwendungen als „Stromfresser“ auf. Dagegen ist die Umwandlung der Antriebsenergie in hydraulische Druckenergie bei der hydrostatischen Membranpumpe aufgrund der vorherrschenden hydromechanischen Gesetze mit erheblich besserem Wirkungsgrad möglich als bei sogenannten hydrodynamischen Kreiselpumpen. Die Vorteile von oszillierenden Verdrängerpumpen gegenüber rotierenden Aggregaten werden vor allem im Teillastbetrieb, bei hohen Drücken sowie bei kleinen Volumenströmen sichtbar. 

In der Praxis kommen bei Betriebspunkten in Bereichen von 2 bis 150 m3/h und Drücken zwischen 20 und 200 bar meist die folgenden drei Pumpentypen in Frage: mehrstufige Kreiselpumpen, High-Speed-Kreiselpumpen und Prozess-Membranpumpen. 

Mehrstufige Kreiselpumpen werden verwendet, wenn ein Laufrad alleine nicht genügend Druck aufbauen kann: Durch die Hintereinanderschaltung mehrerer Laufräder können höhere Drücke erzielt werden. Die Pumpen werden dadurch aber auch komplexer und somit kostenintensiver.

High-Speed-Kreiselpumpen schaffen große Druckerhöhungen, die durch die hohen Umfanggeschwindigkeiten des äußerst schnell laufenden Pumpenrades entstehen. Um einen sicheren Betrieb dieser Pumpensysteme zu gewährleisten, sind verschiedene Faktoren wie Druckverhältnisse, Temperaturen und Verschaltung zu beachten und während des laufenden Betriebs strikt einzuhalten. Werden die erforderlichen Rahmenbedingungen nicht eingehalten, drohen bei diesen Pumpentypen erhebliche Beschädigungen bis hin zum Totalverlust der Maschine mit entsprechenden Anlagenausfällen in der Folge.

Bei Förderaufgaben mit den beschriebenen Anforderungen ist der Einsatz von (oszillierenden) Prozess-Membranpumpen anstelle von mehrstufigen Kreisel- oder High-Speed-Kreiselpumpen in der Regel die energieeffizientere und langfristig kostengünstigere Lösung.

Wirkungsgrade von oszillierenden Verdrängerpumpen

Aggregate dieses Typs erreichen einen hohen Wirkungsgrad bei Gütegraden (in erster Linie ein Maß für die Spaltverluste) zwischen 0,98 und 0,99, wobei der Wirkungsgradverlust durch Reibung meist vernachlässigbar ist. Bei ordnungsgemäßer Auslegung sind Gesamtwirkungsgrade zwischen 82 und 93% möglich. Dieser sehr hohe Wert lässt sich unmittelbar auf das den Pumpen zugrundeliegende Förderprinzip zurückführen: Durch die Bewegung des Kolbens, welcher hydraulisch auf die Membran wirkt, entsteht im Pumpenkopf abwechselnd ein Unter- und Überdruck. In der Saugphase öffnet sich das Einlassventil und die Flüssigkeit wird angesaugt. In der Druckphase öffnet sich das Auslassventil und das Medium wird in die Druckleitung gefördert. Somit fließt die Energie, die für die Realisierung der Kolbenbewegung benötigt wird, nahezu vollständig in die Flüssigkeitsförderung. Die dabei entstehenden Leck- und Reibungsverluste sind minimal. Oszillierende Verdrängerpumpen sind hinsichtlich ihrer Wirkungsweise dem menschlichen Herzen nachempfunden: Das Organ arbeitet ebenfalls mit Saug- und Druckphasen, den Herzklappen als Ein- und Auslassventilen sowie Über- und Unterdruck.

Pulsationsstudie als wesentliches Hilfsmittel

Die bei oszillierenden Verdrängerpumpen häufig auftretenden Pulsationen in der Rohrleitung bereiten Planern und Anlagenbetreibern häufig Schwierigkeiten, können aber mit gezielten Maßnahmen sicher beherrscht werden. Wurde eine solche oszillierende Prozess-Membranpumpe für die Anwendung in die engere Wahl genommen, sollte eine sogenannte Pulsationsstudie durchgeführt werden. Diese gibt Aufschluss über die richtige Auslegung eines Systems bezüglich Druckpulsationen, Schwingungen und Verlusten in den Rohrleitungen und Armaturen. Qualifizierte Pumpenhersteller oszillierender Verdrängerpumpen unterstützen diesen Prozess bereits in der Planungsphase mit Rat und Tat. Als Ergebnis werden Pumpen und Anlage schon lange vor der Beschaffung so aufeinander abgestimmt, dass bereits beim ersten Anfahren ein optimaler Betrieb gewährleistet ist. In den meisten Fällen genügt eine vereinfachte Überprüfung des Systems aus Pumpe und Anlage. Für komplexe Systeme und detaillierte Untersuchungen stehen numerische Berechnungsprogramme zur Verfügung, die eine komplette Analyse der Anlage nach API 674, design approach 2, ermöglichen. Durch die frühe Einbindung dieser Systemanalysen kann sichergestellt werden, dass die gesamte Pumpenanlage von Beginn an zuverlässig arbeitet. 

Zahlreiche Anlagenbetreiber machen ihre Entscheidung bei der Neuanschaffung einer Pumpe überwiegend von den Anschaffungskosten abhängig. Einen Eingang in die Betrachtung der Lebenszykluskosten eines Pumpensystems sollten deshalb – neben der anfänglichen Investition – vor allem der Energieverbrauch, der Betriebsaufwand sowie die Instandhaltung, mögliche Ausfallzeiten und die damit einhergehenden Produktionsverluste finden. 

Membranpumpen beispielsweise sind äußerst langlebig und für extrem hohe Lauf- und Standzeiten ausgelegt. Bei entsprechend hoher Qualität der Pumpe ist eine Lebensdauer von mehreren Jahrzehnten die Regel. Selbst Verschleißteile wie PTFE-Membranen oder Ventile können – abhängig von Ausführung und Anwendung – bis zu 20.000 Stunden und zum Teil weit darüber hinaus eingesetzt werden. Dasselbe gilt für mögliche Ausfallzeiten. Je nach Hersteller und Anwendung können Membranpumpen Verfügbarkeiten von bis zu 99 Prozent aufweisen. Das liegt auch daran, dass Prozessmembran-pumpen ohne aufwendige und teure dynamischen Dichtungen wie z.B. Gleitringdichtungen auskommen. Prozessmembranpumpen haben lediglich eine statische Abdichtung, die äußerst zuverlässig, robust und langlebig ist.  

Somit zeichnen sich diese Pumpensysteme nicht nur durch vergleichsweise niedrige Investitionskosten aus, sondern auch durch ihre Langlebigkeit sowie optimale Energieeffizienz.

 

 

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