CITplus - Wurde eine Industriepumpe bereits vor Jahren installiert, ist sie unter dem Gesichtspunkt der Energieeffizienz mit hoher Wahrscheinlichkeit nicht (mehr) optimal für ihre Aufgabe gerüstet. Zum einen fielen früher die Sicherheitszuschläge noch üppiger aus als heute. Zum anderen lebt eine Anlage, sie wird erweitert und modernisiert, in der Kapazität aufgestockt oder gedrosselt. Das Anpassen der installierten Pumpen unterbleibt in aller Regel. Hier steckt ein beträchtliches Einsparpotential. Mit dem Angebot einer Pumpenbestandsaufnahme verbunden mit einem Pump Audit bietet Grundfos als Service an, gemeinsam mit dem Auftraggeber diese Potentiale zu identifizieren.

Die chemische Industrie ist mit über 5 Mrd. € Energiekosten im Jahr die Branche mit dem höchsten Energieverbrauch [1]. Der VCI hat ausgerechnet [2], dass die Energiekosten in der allgemeinen Chemie etwa 11,9 % der Bruttowertschöpfung ausmachen, bei chemischen Grundstoffen sind es sogar 22,5 % - während es im verarbeitenden Gewerbe insgesamt nur 6,4 % sind. Das bedeutet: Energieeffizientere Unternehmen erhöhen die Wertschöpfung und verbessern damit ihre Wettbewerbsfähigkeit.
Elektrisch betriebene Motoren zum Antrieb von Pumpen, Ventilatoren und Kompressoren sind in der chemischen Industrie allgegenwärtig. Insbesondere Pumpen zählen zu den besonders ‚energiehungrigen‘ Komponenten einer Anlage. Wer als Betreiber die größten Energieverschwender in Primär- als auch Sekundärprozessen identifizieren möchte, sollte bei dieser Maschinengruppe als erstes ansetzen.

Pumpenbestandsaufnahme und Pump Audit
Hilfreich ist dabei eine ‚Pumpenbestandsaufnahme'. Dabei werden alle installierten Pumpen in ihren Einbau- und Betriebszuständen erfasst und deren Daten analysiert. Das ist eine klassische Aufgabe für externe Dienstleister - denn wer sollte das in einem KMU übernehmen? Zur Erinnerung: Kleine und mittelständische Unternehmen überwiegen in der deutschen chemischen Industrie. Über 90 % der 2.000 deutschen Chemieunternehmen haben weniger als 500 Beschäftigte [3].
Zur energetischen Überprüfung der Pumpen ist eine intensive Lebenszykluskosten-Analyse (LCC, Pump Audit) ratsam. Beim Pump Audit werden die Betriebsdaten der Pumpen und verschiedene Anlagenparameter gemessen und ein Lastprofil erstellt. Auf Basis der konkreten Messung werden Umbauempfehlungen (Pumpenaufstellung, Leitungsführung), Ergänzungsempfehlungen (Hocheffizienzmotor, Drehzahlregelung) und Austauschempfehlungen (Neupumpe) mit detaillierter Kostenaufstellung erarbeitet und ein ROI (Return on Investment/Kapitalrendite) errechnet. Damit liegen dem Entscheider alle Informationen für eine Optimierung der Pumpe oder einen Pumpentausch nach energetischen und kostenrelevanten Gesichtpunkten vor. Auf dieser Grundlage kann und sollte er handeln.

E-Pumpen für wirtschaftliche und ­sichere Prozesse
Es gibt im Grunde drei Stellräder, um Pumpen bestmöglich an die Aufgabenstellung anzupassen:

• bestimmungsgemäße Auslegung von Pumpe und Peripherie
• Einsatz eines drehzahlregelbaren Antriebs
• Einsatz eines Hocheffizienzmotors der Klasse IE3.

Die bestimmungsgemäße Auslegung einer Pumpe und das Sicherstellen des bestimmungsgemäßen Betriebs ist nach wie vor die bestmögliche Vorsorge für ein langes Pumpenleben - und damit sichere Prozesse und langfristig günstige Kosten. Im betrieblichen Alltag sind diese Voraussetzungen zumeist nicht gegeben. Selten reichen die vorliegenden Daten für eine exakte Auslegung aus. Die Planer müssen dann ihre Anlagen mit einer hohen Flexibilität auslegen - und die Pumpe hat sich entsprechend anzupassen.
Diese Anpassung an die jeweils benötigte Pumpenleistung erfolgt oft noch mit Hilfe konventioneller Stellmethoden, wie Drosselventilen oder Umgehungsleitungen (‚Bypass‘), was die Energieeffizienz deutlich mindert.
Drosselung
Eine druckseitig eingebaute Drosselarmatur erhöht den Anlagenwiderstand und verringert das Fördervolumen. Die Anlagenkennlinie wird dadurch steiler, der Betriebspunkt der Pumpe verschiebt sich nach links, der Pumpenwirkungsgrad ist speziell im Teillastbereich schlechter. Außerdem sind die Wartungskosten für das Drosselventil insbesondere bei korrosiven Flüssigkeiten oder Flüssigkeiten mit Schwebstoffen besonders hoch.
Bypass
Bei der Bypass-Regelung wird ein Teil des Fördermediums zum Saugstutzen oder zum Saugbehälter rückgeführt. Aufgrund des Mengenverlustes nimmt der Gesamtwirkungsgrad stark ab; die aufgenommene Motorleistung beträgt unabhängig von der Fördermenge immer 100 %.
Wird die Pumpe jedoch durch eine elektronische Drehzahlverstellung an den jeweiligen Bedarf angepasst, reduziert sich die Leistungsaufnahme des Antriebes erheblich (s. Graphik). Es wird nur soviel Strom abgefordert, dass die Pumpe den aktuellen Förderstrom bedienen kann - mehr nicht.
Durch das automatische Anpassen der Pumpenleistung an den veränderlichen Förderbedarf in der Anlage und mit Hilfe einer effizienten Motortechnik lassen sich leicht bis zu 80 % der Antriebsenergie einsparen.
Der Einsatz von Motoren der Hocheffizienzklasse IE 3 macht sich zumeist schnell bezahlt und ist heute entsprechend der Ökodesign-Richtlinie (EuP) der ‚Stand der Technik‘. Diese Motoren empfehlen sich zusätzlich wegen ihrer geringen Geräusch-Emissionen: Das Motorengeräusch (und damit ein großer Teil des Pumpengeräusches überhaupt) wird nämlich hauptsächlich durch den Motorlüfter verursacht. IE3-Motoren benötigen aufgrund des höheren Wirkungsgrades und der deutlich geringeren Abgabe von Verlustwärme weniger Luft zur Kühlung, so dass sie meist mit kleineren und damit leiseren Lüftern auskommen. Die geringere Wärmeabgabe schont zudem die isolierten Kupferdrähte der Statorwicklung und verlängert deren Lebensdauer. Eine niedrige Betriebstemperatur erhöht darüber hinaus die Lebensdauer der Motor-Lager und somit maßgeblich die Standzeit des Gesamtaggregates (die Standzeit der Lagerschmierung ist stark temperaturabhängig). Bei Grundfos werden diese Hocheffizienzpumpen mit integriertem Frequenzumrichter oder alternativ einem externen Umrichter unter dem Label „Grundfos Blueflux" angeboten.
Man sieht: Maßnahmen zur Energieeffizienz wirken sich positiv auch auf die Verfügbarkeit und Standzeit eines Pumpensystems aus! Eine energieeffiziente Pumpe ist zugleich meist langlebiger, wirtschaftlicher und darüber hinaus durch die verringerten CO2 Emissionen umweltschonender.

Smarte Pumpen bieten zusätzlichen Nutzen
Der Punkt ‚Drehzahlregelung‘ ist speziell in der Prozessindustrie besonders gut umsetzbar, sind doch moderne Fabrikanlagen (inklusive der Fabrikgebäude) in der Regel hoch automatisiert und mit leistungsfähigen Prozessleitsystemen ausgerüstet. Somit können auch Pumpensysteme per Bus-System eingebunden werden.
Die Eingliederung eines elektronisch geregelten Pumpenantriebes in ein zentrales Bussystem ermöglicht den Austausch von Parameter- und Prozessdaten. Dieser Datenaustausch dient der zentralen Überwachung, optimierten Ansteuerung und eventuellen Visualisierung/Aufzeichnung des Pumpenbetriebs. Der Betreiber profitiert davon in vielerlei Weise:

• Schaffung produktschonender Abläufe: Das Abgleichen des Pumpenbetriebs mit anlagentypischen und anlagenbedingten Abläufen minimiert die Beeinträchtigung sensibler Medien.
• Schonender Pumpenbetrieb: Kavitation, Druckstöße oder Überlast können ermittelt und im Programmablauf vermieden werden (das führt zu einem geringeren Materialverschleiß an Pumpe und Anlage).
• Energieeffizienter Pumpenbetrieb: Zielgerechter Einsatz senkt die Energiekosten; die hydraulische Leistungsnutzung wird effektiver.
• Wartungsintervalle der Pumpe optimieren: Regelmäßige Wartung der Verschleißteile einer Kreiselpumpe senkt die Störanfälligkeit und erhöht die Lebensdauer der Pumpe
• Last, but not least kann die Pumpe aktiv in das Prozessgeschehen eingebunden werden.

Über parametrierte Pumpen ist dann beispielsweise sichergestellt, dass ein Medium mit dem gewünschten Druck oder dem erforderlichen Volumenstrom zu einem bestimmten Zeitpunkt im Reaktor zur Verfügung steht. Oder dass zwei Komponenten exakt vermischt zur richtigen Zeit präzise eindosiert werden.

Störungsfrüherkennung durch ­intelligentes Monitoring
Eine Alternative für die in der Prozessindustrie vielfach vorgehaltenen redundanten Pumpen (‚B-Pumpen‘) kann der Einsatz einer zuverlässigen Störungsfrüherkennung sein.
Während herkömmliche Diagnose- und Störungsfrüherkennungs-Systeme den Zustand einzelner Komponenten bzw. abgeleitete physikalische Größen überwachen (Temperatur von Lagern, Vibrationen an Wellen etc.), verfolgt das CR-Monitor-System von Grundfos einen gänzlich anderen Ansatz: CR-Monitor überwacht - ausgehend vom Ist-Zustand bei der Neuinstallation - Abweichungen von den ursprünglichen Betriebsparametern sowie der Effizienz des Pumpensystems.
Wie das funktioniert? Nach der Installation durchläuft CR-Monitor einen Lernprozess, der alle relevanten Parameter im Pumpensystem erfasst und daraus ein Betriebsmodell entwickelt. Die Aufzeichnungen werden gespeichert und später als Referenz für den ‚normalen Pumpenbetrieb‘ verwendet.
Ein wichtiger Punkt ist dabei das Überwachen des Wirkungsgrads. Die Funktion basiert auf einem mathematischen Modell, das die Pumpe und den Motor abbildet. Auf Grundlage des Rechenmodells kann CR-Monitor bestimmen, ob das Verhältnis zwischen der auf das Fördermedium übertragenen hydraulischen Leistung und der Leistungsaufnahme aus dem Netz dem von der Lernfunktion ermittelten Betriebsverhalten entspricht.
CR-Monitor berechnet den Gesamtwirkungsgrad als Verhältnis zwischen der hydraulischen Leistung und der Leistungsaufnahme: ηges = Phydr/P1. Dann vergleicht das System die aktuellen Messdaten und den aktuellen Wirkungsgrad mit den per Lernfunktion ermittelten Werten. Die Praxis zeigt: Ein herabgesetzter Wirkungsgrad weist häufig auf einen erhöhten Verschleiß oder eine Veränderung im Hydrauliksystem der Pumpe hin.

Messen, Vergleichen, Beurteilen
Das System ist einfach zu konfigurieren, ein Controller überwacht die in der Lernphase vor Ort aufgenommenen Werte. So kann der CR-Monitor den Zustand messen, mit dem Modell vergleichen und auf dieser Grundlage beurteilen, ob das System planmäßig funktioniert. Sollte die Messung vom Referenzwert abweichen oder die vorgegebenen Parameter (Zulaufdruck, Förderdruck, Förderstrom, elektrische Daten wie der Energieverbrauch, Medien- oder Umgebungstemperatur) die vom Betreiber anwendungsspezifisch festgelegten Grenzwerte überschreiten, gibt der CR-Monitor frühzeitig eine Warnmeldung vor potenziellen Störungen aus - z. B. an ein SCADA-System, einen Computer oder per Telefon-SMS. Das System arbeitet mit drei einfachen Ampel-Zustandssymbolen: ‚OK‘, ‚Warnung‘ und ‚Alarm‘.
Bei der Ausgabe einer Warnmeldung beschränkt sich CR-Monitor nicht auf komplizierte Rohdaten, sondern liefert bereits eine konkrete Fehlerauswertung. Der Betreiber muss also keine Daten und Graphen auswerten, sondern erhält klare Informationen über sein Pumpensystem. Selbstverständlich sind die Rohdaten, auf denen die Klar-Aussagen basieren, bei Bedarf abrufbar. Eine erweiterte Protokollfunktionalität, die relevante Parameter vor und nach dem Auftreten eines Fehlers protokolliert, erleichtert später die detaillierte Fehleranalyse.
Wer eine Störung erkannt hat, will womöglich Online auf sein System zugreifen. Denn Pumpsysteme arbeiten in der Regel nicht in Sichtweite eines Technikers. Betriebspersonal ist vielfach nicht ständig vor Ort.
Um den Fernzugriff zu ermöglichen, hat Grundfos ein pumpenspezifisches ‚Remote Management' entwickelt - und offeriert in diesem Zusammenhang auch neuartige Service-Dienstleistungen.
Um was geht es dabei? Das ‚Grundfos Remote Management (GRM)‘ erlaubt das einfache und kostengünstige Überwachen und den sicheren Zugriff auf Einzelpumpen und Pumpensysteme via Internet. Dazu sind die Pumpen und Steuerungen mit einem GPRS/GSM-Modul verbunden, das die Daten per Mobilfunk drahtlos zu einem zentralen Grundfos-Server sendet. Der Zugriff auf den Server und die Daten erfolgt mit Hilfe eines internetfähigen PC.

Fazit
Vor dem Hintergrund steigender Energiepreise und komplexer werdender Prozesse sucht die Industrie verstärkt nach Möglichkeiten zur Energie- und Prozessoptimierung. Pumpensysteme spielen bei nahezu allen Optimierungsmaßnahmen eine wichtige Rolle. Die besten Resultate ergeben sich nach einer intensiven Analyse der Anlagenbedingungen vor Ort. Im Rahmen des Konzepts ‚Service Plus‘ offeriert Grundfos Dienstleistungen zum Identifizieren von Pumpsystemen mit hohem Energieeinsparpotential.

Literatur
[1] www.vci.de/default2~cmd~shd~docnr~124835~rub~743~tma~1~nd~.htm
[2] www.stiftung-marktwirtschaft.de/fileadmin/user_upload/_temp_/Folien_Hans_Hermann_Nacke_20_04_2010.pdf
[3] www.vci.de/Die_Branche/default2~cmd~shr~docnr~114558~nd~~rub~735~ond~n01~c~5.htm