1„Pumpen- und Schüttgut Forum 2011“, Würzburg 15./16. November 2011 Gerhard Berge, KSB AG

Die Verbesserung der Energieeffizienz

von Pumpensystemen

Gerhard Berge

KSB AG

67227 Frankenthal

„Pumpen- und Schüttgut Forum 2011“, Würzburg 15./16. November 2011

2„Pumpen- und Schüttgut Forum 2011“, Würzburg 15./16. November 2011 Gerhard Berge, KSB AG

Der Weg zu

energieeffizienten

Pumpensystemen

–

5 Etappen

führen

zum Erfolg.

3„Pumpen- und Schüttgut Forum 2011“, Würzburg 15./16. November 2011 Gerhard Berge, KSB AG

Die Auslegung

Betrieb im Optimum spart Energie und erhöht die Lebensdauer

Quelle: nach Judy Hodgson (Du Pont): “Predicting Maintenance Costs Accurately”, Pumps & Systems, April 2004

53

92

Fö

rder

hö

he

[%]

Förderstrom [%]

Austausch-wirbel

Teillast-wirbel

Laufradverschleiß

Kürzere Lebensdauer

Lager und GLRD

Kavitation

ÜberhitzungKürzere Lebensdauer

Lager und GLRD

Kennlinie

Kavitation

Normal: -30%...+15%

Gut: -20%...+10%

Ideal = -10% ..+5%vom Optimum

Lebensdauer [%]

10

100

Typischer

Wirkungsgradverlauf

Was passiert mit Kreiselpumpen, wenn sie ausserhalbdes zulässigen Bereichs gefahren werden?

4„Pumpen- und Schüttgut Forum 2011“, Würzburg 15./16. November 2011 Gerhard Berge, KSB AG

Pumpenbetrieb in der Praxis

Jenseits bestimmungsgemäßen Betriebs

Quelle: Projekt ReMain; <http://www.iml.fhg.de/media/mediaposter.php?mediaId=4847>

Bet

riebss

tunden

Fördergrad Q/Qopt

Pum

pe N

r.

0 Fördergrad Q/Qopt 1,5

Viele Pumpen werden außerhalb eines energie-und verfügbarkeitsoptimalen Betriebsbereichs eingesetzt.

Nur wenige Pumpen werden im Optimum betrieben.

Hier liegt Optimierungspotenzial!

5„Pumpen- und Schüttgut Forum 2011“, Würzburg 15./16. November 2011 Gerhard Berge, KSB AG

Analyse des Systems

Übersicht der möglichen Einsparpotenziale

§ Professionelle Berater

betrachten immer das gesamte

hydraulische System, um

die maximalen Einspar-

potenziale zu heben.

§ Hierbei muß die Energiebilanz

des Gesamtsystems bewertet

werden, nicht nur die

Wirkungsgrade der

Einzelkomponenten.

System

KomponenteCa. 3,5%

Bis zu60%

Modul

Bis zu25%

EUROPUMP Klassifikation

System Approach

ExtendedProduct

Approach

ProductApproach

6„Pumpen- und Schüttgut Forum 2011“, Würzburg 15./16. November 2011 Gerhard Berge, KSB AG

Förderhöhe

Förderstrom

Nenn-Förderhöhe

Nenn-Förderstromgeringerer Bedarf

Auslegungs-punkt (mit Reserve)

HäufigsterBetriebspunkt

Realer Vollastpunkt

nnn0,9

Realer Betrieb von Kreiselpumpen: Überdimensionierung und Teillastbetrieb

7„Pumpen- und Schüttgut Forum 2011“, Würzburg 15./16. November 2011 Gerhard Berge, KSB AG

Das Herz jeder Kreiselpumpe: Das Laufrad

Hocheffiziente Hydraulik

Exakt an die Betriebsanforderungenangepasste Laufräder

8„Pumpen- und Schüttgut Forum 2011“, Würzburg 15./16. November 2011 Gerhard Berge, KSB AG

Der Motorwirkungsgrad ist u.a. abhängigvon:

n Baugröße und Bauartn Güte und Menge der aktiven Materialienn Läuferausführung und Luftspaltn Gesamtkonzeption

Neben den Asynchronmotoren kommtneuen Antriebskonzepten zunehmendBedeutung zu, insbesondere wenn variierende Betriebspunkte gefragt sind,Stichwort Drehzahlregelung.

Wirkungsgrad von Motoren

9„Pumpen- und Schüttgut Forum 2011“, Würzburg 15./16. November 2011 Gerhard Berge, KSB AG

0 20 40 Q [%]60 80 100

B1

n = 100 %

B2

90 %

70 %

50 %

H [%]160

140

120

100

80

60

40

20

H [%]

20 40 Q [%]

160

140

120100

80

60

40

20

0 60 80 100

B1

n = 100 %

80 %

60 %

Anlagenkennlinie(Teillast)

PW [%]100

80

60

40

20

0 20 40 Q [%]60 80 100

n = 100 %P1

50 %

70 %

90 %Leistungs-reduktion

P2M~~~

~~~

B2 50 %

70 %

Drehzahl-regelung

Anlagenkennlinie(Volllast)

Förderstromanpassung durch Drehzahlregelung spart Energie

10„Pumpen- und Schüttgut Forum 2011“, Würzburg 15./16. November 2011 Gerhard Berge, KSB AG

Das Lastprofil ist wesentliche Grundlage für den Einspareffekt durch Drehzahlregelung

Für den energieeffizienteren Betrieb von Kreiselpumpensystemen sind die Wirkungsgrade der Hydraulik und der Antriebseinheit speziell im Teillastbereichwesentliche Enflußgrößen!

11„Pumpen- und Schüttgut Forum 2011“, Würzburg 15./16. November 2011 Gerhard Berge, KSB AG

Warum ist IE3 nicht genug?

§ Die IEC60034-30 Ed. 1 definiert nureinen Mindest Wirkungsgrad beiNennwert von Drehzahl und Drehmoment, einem Betriebspunkt, wo Kreiselpumpen selten laufen.

§ Die Hersteller von ASM gebenTeillastwerte - wenn überhaupt -nur bei Nenndrehzahl an.

§ Es gibt bisher keine klarenRegelnfür die für Kreiselpumpen üblichenWerte.

§ Hier erarbeitet derzeit CENELEC unter aktiver Mitarbeit von EUROPUMP eine Lösung!0% 25% 50% 75% 100%

25%

50%

75%

100%

Definiert durch IE KlasseDrehmoment

RPM

?Manchmal

im Datenblattangegeben

12„Pumpen- und Schüttgut Forum 2011“, Würzburg 15./16. November 2011 Gerhard Berge, KSB AG

Neuer Hocheffizienz –Motor/ Antrieb

SuPremE-Motor

§ Synchron-Reluktanzmotor

§ Rotor mit Flusssperrenschnitt

§ Magnetfrei

–Materialverfügbarkeit

–Ressourcenschonend

§ entspricht IE4 gem. IEC/TS 60034-31 Ed. 1, 2010-4

üüü

Erstpräsentation 2009 auf der ISH und der HMI!

13„Pumpen- und Schüttgut Forum 2011“, Würzburg 15./16. November 2011 Gerhard Berge, KSB AG

§ Der Wirkungsgrad bei Nenndrehzahl ist nahezu konstant bis zu einer Last von 50 %.

§ Er sinkt drastisch ab bei Lasten kleiner 50 %.

§ Das trifft auch für reduzierte Drehzahlen zu, was dem typischen Drehmoment Bedarf von Kreiselumpen entspricht.

§ Hoch Effizienz Motor

§ Der Vorteil der Synchronmotortechnik liegt vor allem im Teillastbereich.

§ Dort wo fast alle Kreiselpumpen betrieben werden.

§ Der Wirkungsgrad ist deutlich stabiler in bezug auf die eingestellten Drehzahl- und Drehmoment- Anforderungen .

Wirkungsgradkennfelder

IE3 Asynchron Motor

SuPremE-Motor

Dre

hm

om

en

t in

Nm

Dre

hm

om

en

t in

Nm

Drehzahl in 1/min

7,5kW SuPremE, 1500 1/min

Drehzahl in 1/min

Drehzahl in 1/min

Dre

hm

om

ent

in N

mD

reh

mo

me

nt in

Nm

14„Pumpen- und Schüttgut Forum 2011“, Würzburg 15./16. November 2011 Gerhard Berge, KSB AG

§ Zur Hannovermesse 2011: Designvariante ohne Lüfter

§ Das verbessert den Wirkungsgrad deutlich

Hocheffiziente Antriebe

SuPremE-Motor

15„Pumpen- und Schüttgut Forum 2011“, Würzburg 15./16. November 2011 Gerhard Berge, KSB AG

Wie hoch ist der Wirkungsgrad einer Rohrleitung?

H1 H2Q1 Q2

wegen gilt

konstant Q Q fürH

H21

1

2 ===η

„Transportverluste“der Rohrleitung

21V HHH −=

Hv

η = 1-Hv

H1

Quelle: Norbert Gröning, KSB AG

16„Pumpen- und Schüttgut Forum 2011“, Würzburg 15./16. November 2011 Gerhard Berge, KSB AG

Dimensionierung von Rohrleitungen:

üblich: Richtwerte der Fließgeschwindigkeit als Ausgangsgröße zur Festlegung von D

besser: Kostenoptimierung von Investitions- und Energiekosten- Investitionskosten für dünnwandige Rohre gemäß Ci,Rohr = k · D2

- Energiekosten (Ce) über Verlustbeiwerte der Einzelkomponenten

LCC

D2

Ce

Ci

Ce + Ci

D2opt

Die wirtschaftlichste Rohrleitung

Quelle: Norbert Gröning, KSB AG

∫ ´⇒ )()(~ tHtQC Ve

17„Pumpen- und Schüttgut Forum 2011“, Würzburg 15./16. November 2011 Gerhard Berge, KSB AG

Typische „kostengünstige“Auslegung nach Investkosten

= 17%

Beispiel für Nennweite DN 100: Etaline 100-250/2204

Q= 104 m³/h

Hstat= 8,5m ; Hges= 49m =

Rohr und Formteile

Länge[m]

Anzahl Nennweite[DN]

Verluste[m]

Volumenstromm[m³/h]

Rohr 200 100 28 104Absperrarmatur

BOA- SC3 100 6,0 104

Rückschlagklappe

Serie 2000 1 100 2,5 104

SchmutzfängerBOA-S

1 100 3,0 104

RegelventilBOA-SC-CVE 1 125 1,0 104

Summe = 40,5 =

η = 1-40,5

49

Hv

H1

Quelle: Norbert Gröning, KSB AG

18„Pumpen- und Schüttgut Forum 2011“, Würzburg 15./16. November 2011 Gerhard Berge, KSB AG

Eine energieoptimierte Auslegung nach LCC Massstab

Beispiel für Nennweite DN 150: Etaline 100-200/754

Q= 104 m³/h

Hstat= 8,5m ; Hges= 18,2m =

Rohr und Formteile

Länge[m]

Anzahl Nennweite[DN]

Verluste[m]

Volumenstromm[m³/h]

Rohr 200 125/ 150 6,1 104Absperrarmatur

BOA- SC3 125/ 150 1,0 104

Rückschlagklappe

Serie 2000 1 100 0,8 104

SchmutzfängerBOA-S

1 150 0,8 104

RegelventilBOA-SC-CVE 1 125 1,0 104

Summe = 9,7 =

η = 1-9,7

18,2= 46%

Hv

H1

Quelle: Norbert Gröning, KSB AG

19„Pumpen- und Schüttgut Forum 2011“, Würzburg 15./16. November 2011 Gerhard Berge, KSB AG

FlowUnit

Kundennutzen- Kostenreduktiong durch Systembetrachtung

- Energieoptimierter Betrieb von Pumpe undVentil

- Höhere Lebensdauer und Verfügbarkeit- Senkung der Wartungskosten- Schnelle Inbetriebnahme als Unit- Einbindung ins anlagennahe

Asset-Management

- Hohe Prozessqualität und verbesserte Regelgütedurch Einsatz von Advanced Control

Entwicklungspartner:- KSB- SAMSON- TU Darmstadt

Quelle: Dr. Thomas Paulus, KSB AG, P52

M+FU

M

Verfügbarkeitsoptimale und energieeffiziente Durchfluss-

regelung durch intelligente Verknüpfung von

geregelter Pumpe und Regelventil

20„Pumpen- und Schüttgut Forum 2011“, Würzburg 15./16. November 2011 Gerhard Berge, KSB AG

Gesetzliche Anforderungen an die Energieeffizienz von Pumpen und Motoren in der EU

Auf europäischer Ebene laufen unter dem Begriff EuP –Energy using Products –seit einigen Jahren Gesetzgebungsverfahren zur drastischen Reduzierung des CO2 - Ausstoßes durch Reduzierung des elektrischen Stromverbrauchs.

Die daraus resultierende Richtlinie „ECO-Design of Energy using Products“ist als EuP/ Eco-design Directive 2005/32/EC vom EU Parlament verabschiedet worden. Hieraus sind zu deren Umsetzung bereits Direktiven und Verordnungen entstanden. Betroffene Produkte sind in Lose aufgeteilt.

Unter diese Verordnungen fallen in LOS 11 neben Elektromotoren, Ventilatoren auch Kreiselpumpen wie Heizungs- und Wasserpumpen:- Heizungs Umwälzpumpen bis 2500 W –nur Naßläufer (Direktive mit konkreten Anforderungen bereits verabschiedet)

- Elektrische Standard Asynchron Motoren 0,75 bis 375 kW (Direktive mit konkreten Anforderungen bereits verabschiedet)

- Wasserpumpen bis 150 kW, 4“und 6“Submersibles; Die Direktive ist in Vorbereitung. Die Verabschiedung der Direktive ist im 2. Halbjahr 2012 zu erwarten.

Die EuP Ökodesign Direktive wurde 2009 aktualisiert und erweitert:

Die EuP - Direktive 2005/32/EC wurde in die ErP - Direktive 2009/125/EC überführt: Die DIREKTIVE „Energy usingProducts“wurde erweitert in „Energy related Products“. ErP führt die unter EuP begonnene Arbeit fort und sieht die Erweiterung des ursprünglichen Scopes vor. Betroffene Produkte sind weiterhin in Lose unterteilt.

21„Pumpen- und Schüttgut Forum 2011“, Würzburg 15./16. November 2011 Gerhard Berge, KSB AG

Neue geplante EU Anforderungen an die Energieeffizienz von Pumpen

In Brüssel sind Ende 2010 neue Lose 27 –31 definiert worden, die sich aus dem Mandat M/476 EN herleiten. Die dort erwähnten Produkte sind damit in den Scope des Eco-Design Gesetzgebungs-verfahrens aufgenommen. Das betrifft sowohl Sondermotore und neue Antriebskonzepte als auch neue Pumpen Anwendungen!

Neue Lose für Pumpen

- Los 28: Pumpen (erweiterter Produktansatz einschließlich Motoren, Regelantriebe (VSD) und Steuer-einheiten, wo anwendbar) für private und öffentliche Abwässer (einschließlich aller Abschnitte einschließlich Gebäude, Leitungsnetze und Behandlungsanlagen) und für Flüssigkeiten mit hohem Feststoffanteil.

- Los 29: Pumpen (erweiterter Produktansatz einschließlich Motoren, Regelantriebe (VSD) und Steuer-einheiten, wo anwendbar) für private und öffentliche Schwimmbecken, Teiche, Springbrunnen und Aquarien sowie Klarwasserpumpen, die größer als die unter Los 11 beschriebenen Pumpen sind.

Zur weiteren Konkretisierung der jeweiligen Los - Gruppen werden Vorbereitungsstudien durchgeführt werden. Diese Studien sind –Stand Oktober 2011 –noch nicht an entsprechende Institute vergeben.

22„Pumpen- und Schüttgut Forum 2011“, Würzburg 15./16. November 2011 Gerhard Berge, KSB AG

Neue geplante EU Anforderungen an die Energieeffizienz von Antrieben

- Los 30: Produkte in Antriebssystemen außerhalb des Anwendungsbereichs der Verordnung 640/2009(Los 11) wie Sondermotoren für Umrichterbetrieb (asynchrone Servomotoren), Dauermagnetmotoren, durch ihre Last gekühlte Motoren (Lüfter), einschließlich Motoren und Produkte gemäß Artikel 1 Ziffer 2 Buchstaben b, c und d sowie einschließlich Antrieben wie Sanftstarter, Drehmoment- oder Regelantriebe (VSD) von 200W-1 000kW. Zudem sind Motoren zu behandeln, die unter den Anwendungsbereich der Verordnung 640/2009 von 750kW- 1000kW fallen.

- Los 31: Produkte in Antriebssystemen außerhalb des Anwendungsbereichs von Los 30 und Verordnung 640/2009 über Elektromotoren (Los 11), insbesondere Kompressoren, darunter kleine Kompressoren, und ihre etwaigen Antriebe.

Zur weiteren Konkretisierung der jeweiligen Los - Gruppen werden auch hier Vorbereitungsstudien durchgeführt werden.

23„Pumpen- und Schüttgut Forum 2011“, Würzburg 15./16. November 2011 Gerhard Berge, KSB AG

Zusammenfassung

§ Die Auslegung des Pumpensystems ohne zu große Reserve

garantiert zuverlässigen Betrieb und minimalen Energieverbrauch.

§ IE2-Motoren bringen 1- 3% Wirkungsgradvorteil, IE3-Motoren nochmals ca. 2%

§ Mit dem KSB SuPremE-Motor sind je nach Lastprofil bis zu 10% Einsparung

gegenüber IE3 möglich

§ Drehzahlregelung von Pumpen ist bei variablem Betriebspunkt die energiesparendste

Lösung. Durch sinnvolle Konzepte können die Systemkosten signifikant gesenkt werden.

(System-Ansatz)

§ Abdrehen von Laufrädern bringt bei konstanten Betriebsverhältnissen eine hohe Reduzierung

des Stromverbrauchs ohne Mehrkosten.

24„Pumpen- und Schüttgut Forum 2011“, Würzburg 15./16. November 2011 Gerhard Berge, KSB AG

Herzlichen Dank fürs Zuhören