Frequenzumrichter und Pumpen – vorteilhafte Kombination auch ohne eigenes Investment und ohne eigenes Fachpersonal in der Nachrüstung

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Fachbeitrag von Max Burger

Pumpen werden oft als typischer Anwendungsfall für Frequenzumrichter genannt. Häufig wird Energieeffizienz als pauschale Begründung angeführt. Dabei gibt es zahlreiche weitere Vorteile, die für den Einsatz von Frequenzumrichtern bei Pumpen sprechen. Interessanterweise werden diese Vorteile, insbesondere die Möglichkeit zur Reduktion des Energieverbrauches, meist nur im Zusammenhang mit neuen Anlagen oder Komponenten realisiert. Die Nachrüstung von Frequenzumrichtern bietet jedoch sowohl Vorteile bei den Kosten als auch beim Energieverbrauch.

Um vorhandene Anlagen zu modernisieren und vor allem Energieverbrauch und -kosten zu reduzieren, bietet es sich an, Frequenzumrichter im Bestand nachzurüsten. Die Einsparungen dienen als Motivation und ermöglichen die Finanzierung der Nachrüstung. Wo jedoch trotz eines Einsparpotenzials eine Nachrüstung aus personellen Gründen oder aus Gründen der Liquidität nicht realisiert werden kann, bietet die InstaGreen GmbH zusammen mit ihrem Technikpartner der Iwik GmbH eine Lösung an. Die Einsparung und C02-Reduktion lassen sich so auch ohne eigenes Investment und ohne eigenes Fachpersonal realisieren.

Nutzen und Wirkungsweise von Frequenzumrichtern

Asynchronmotoren sind heutzutage die am meisten gebrauchten Motoren in der Industrie. Sie wandeln den Drei-Phasen-Wechselstrom des Netzes in eine mechanische Drehbewegung um. Typisch für das europäische Stromnetz ist die konstante Netzfrequenz von 50 Hertz. Wird nun ein Asynchronmotor an das 50-Hz-Netz angeschlossen, dreht sich der Motor mit einer bestimmten Drehzahl. Die Motordrehzahl ist vom sog. Motorschlupf und der Anzahl der Poolpaare abhängig. Daher haben Asynchronmotoren wegen des Schlupfes Drehzahlen von knapp 3.000, 1.500, 1.000, 750 min-1 usw. Diese Drehzahlen lassen sich durch Getriebe nach oben oder unten verändern. Es bleibt jedoch bei einer festen Drehzahl des Motors selbst.

Heutige Anwendungen benötigen jedoch oft frei einstellbare oder veränderliche Drehzahlen. Um dies zu erreichen, werden Frequenzumrichter eingesetzt. Sie wandeln das Drehstromsystem zunächst in ein Gleichspannungssystem um. Die Gleichspannung wird dann zu einem neuen Drehstromsystem mit variabler Ausgangsfrequenz zwischen 0 und 599 Hertz umgewandelt. Dementsprechend ändert sich die Drehzahl des angeschlossenen Motors. Daher auch die Begriffe der elektronischen Drehzahlregelung oder des elektronisch drehzahlgeregelten Motors.

Abb. 1 Mechanischen Regelungsarten und elektronische Drehzahlregelung (Quelle: ABB Automation Products GmbH)

Frequenzumrichter und Pumpen

Pumpen werden in der Regel durch Drehstrommotore angetrieben. Gleichzeitig gibt es zahlreiche Anwendungen, bei denen die Fördermenge und -leistung variieren bzw. nicht einem festen Standardwert entsprechen. Hinzu kommt, dass bei ungeregelten Pumpen eine Begrenzung des Durchflusses über Bypässe, mechanische Drosselungen (Ventile, Schieber usw.) oder Ein-Aus Betrieb erfolgt (Abb. 1 und Abb. 2). Dabei wird ein Teil der von der Pumpe aufgewendeten Arbeit bzw. Energie – untechnisch ausgedrückt – wieder zunichte gemacht.

Hinter solchen Regelungen stecken oft enorme, manchmal auch unerkannte Einsparpotenziale. Außerdem sind Kreiselpumpen von einer sog. Quadratischen Kennlinie geprägt. Das bedeutet, dass sich bei einer Erhöhung der Drehzahl das Drehmoment quadratisch steigert, da die Drehzahl mit der Potenz „hoch 2“ in die Berechnung des Drehmoments eingeht. Auf die Leistung wirkt sich die Drehzahlerhöhung sogar mit der Potenz „hoch 3“ aus. Vereinfacht gesagt, braucht man für eine Verdopplung der Drehzahl die vierfache Kraft und die achtfache Leistung. Umgekehrt bedeutet eine Halbierung der Drehzahl eine Reduktion der benötigten Leistung auf 1/8.

Anstatt die aufgewendete Energie durch eine mechanische Begrenzung des Durchflusses zu „vernichten“, ist es sinnvoll, die künstliche Begrenzung zu beseitigen und die Arbeit der Pumpe selbst über die Drehzahl zu regeln.

Abb. 2 Vergleich Leistungsbedarf beim Herunterregeln des Volumenstromes über Drossel, Bypass, Ein-Aus Betrieb und elektronische Drehzahlregelung
• Ungeregeltes Volumen Q = 10,
• Hubhöhe H = 10,
• Leistungsbedarf ungeregelt P = H x Q = 100
• Ziel der Regelung: Volumen Q = 7
• Ergebnis: Drosselregelung benötigt 89 % der Leistung, Bypassregelung 96 %, Ein-Aus-Betrieb 70 %, Drehzahlregelung 45 %
• Grund: Drehzahlregelung verschiebt die Pumpenkennlinie nach unten, während die Anlagenkennlinie gleichbleibt.
Quelle: ABB Automation Products GmbH

Wirkungsgrade und Energieeffizienz von Pumpensystemen

Pumpen werden häufig im Dauerbetrieb oder mit vielen Jahresbetriebsstunden gefahren. Dabei spielen Effizienz und Wirkungsgrad der Pumpe bzw. des ganzen Systems eine wesentliche Rolle. Auch kleinste Verbesserungen beim Wirkungsgrad haben bei Lang- und Dauerläufern große Auswirkungen, da sich kleinste Einsparungen über die Zeit summieren. Über die Lebensdauer gerechnet, lohnt sich daher oft der Mehrpreis  für die effizientere Technik, anstatt in die weniger effiziente Technik zu investieren, die in der Anschaffung, nicht jedoch im Betrieb, günstiger ist. Gleichzeitig muss aber sichergestellt sein, dass Komponenten möglichst genau für die jeweilige Anwendung ausgelegt werden, um den optimalen Wirkungsgrad realisieren zu können.

In der Praxis wird oft mit einer Reserve ausgelegt oder das Betriebsregime verändert sich im Vergleich zur ursprünglichen Auslegung. Ein dauerhafter Betrieb im Idealbereich dürfte eher die Ausnahme sein. Vor allem aber gibt es Anwendungen mit schwankenden Leistungsanforderungen.

Dort wird meist nach der Spitzenanforderung ausgelegt, obwohl zu vielen Zeiten weniger Leistung genügen würde. Selbst wenn im Regelbetrieb der optimale Wirkungsgrad erreicht wird, wird in Zeiten von niedrigerer Last zu viel Energie aufgewendet, die mechanisch „zunichte“ gemacht wird.

Weitere Vorteile von Frequenzumrichtern im Pumpenbetrieb

Angesichts der Marktgröße überrascht es nicht, dass Hersteller von Frequenzumrichtern Geräte mit speziellen Funktionen für den Pumpenbetrieb anbieten (so z.B. ABB, Fuji Electric, Siemens, Danfoss, Mitsubishi Electric u.a.). Abgesehen von einzelnen herstellerspezifischen Lösungen ähneln sich die Funktionen der Umrichter oftmals, weshalb hier einzelne Funktionen herstellerunabhängig beschrieben werden.

  • Reduktion von Anlaufströmen und Lastspitzen

Durch einstellbare Rampen lassen sich im Vergleich zum Direktstart am Netz die Stromspitzen beim Anlauf mit Hilfe von Umrichtern reduzieren. Dies schont die Anlage und reduziert gegebenenfalls die Spitzenlastvergütung gegenüber dem Netzbetreiber. Außerdem kann mit Hilfe der einstellbaren Betriebszeiten und der stufenlosen Regelung der Betrieb optimiert werden, um beispielsweise Lastspitzen während des Betriebes zu glätten oder um auf Schwankungen der Eigenstromproduktion zu reagieren.

  • Rohrfüllungsfunktion und Vermeidung von Druckschlägen

Das sanfte Anfahren und Abfahren von Pumpen mit Hilfe von einstellbaren Rampen und Parametern schont das Rohrleitungssystem und reduziert möglichen Reparaturaufwand durch Leckagen.

  • Mehrpumpenregelung

Moderne Umrichter können untereinander kommunizieren, wodurch sich mehrere Umrichter und Pumpen verbinden lassen. Dies ermöglicht eine optimale Energienutzung beim Einsatz mehrerer Pumpen. Außerdem lässt sich die Betriebszeit zwischen den Pumpen verteilen, um die frühzeitige Alterung einzelner Pumpen zu reduzieren.

  • Pumpenreinigungsfunktion
Abb. 3 Verzopfung einer Pumpe (Quelle: Mittelmärkische Wasser- und Abwasser GmbH)

Einige Pumpenanwendungen leiden unter den festen Bestandteilen im Fördermedium. Klassischer Fall sind Feuchttücher in Abwasserpumpen (Abb. 3). Für derartige Anwendungen bieten manche Umrichter eine Pumpenreinigungsfunktion, um den manuellen Reinigungsaufwand und Stillstände zu reduzieren. Dabei durchläuft die Pumpe ein Reinigungsprogramm, bei dem die Drehrichtung mehrfach und schnell gewechselt wird. Dieses Programm kann in regelmäßigen Intervallen vorbeugend, aber auch anlassbezogen gestartet werden. Eine wesentliche Voraussetzung hierfür ist jedoch, dass die Pumpe für einen Vorwärts- und Rückwärtslauf ausgelegt ist.

  • Reduktion von Kavitation

Schäden durch Kavitation am Pumpenlaufrad lassen sich mit modernen Umrichtern ebenfalls reduzieren. Bei der Kavitation bilden sich im Unterdruckbereich der Pumpe im Fördermedium Bläschen. Diese Bläschen werden in den Hochdruckbereich der Pumpe gesaugt, wo sie im Bereich des Laufrades implodieren und im Laufe der Zeit zur Beschädigung bis hin zur Zerstörung des Laufrades und/oder des Pumpengehäuses führen. Zur Vermeidung solcher Schäden stellt die Elektronik des Frequenzumrichters Drehmomentänderungen außerhalb des normalen Betriebes fest und reagiert, indem die Drehzahl reduziert wird oder eine Warn- oder Fehlermeldung erfolgt. Der Frequenzumrichter reduziert in diesem Fall die Drehzahl so lange, bis der Normalzustand wieder erreicht ist und die weitere Blasenbildung ausbleibt.

Weitere Vorteile für Betrieb und Anlagenverfügbarkeit

Neben den genannten Funktionen verfügen Umrichter für Pumpen oft über weitere Funktionen, um den Betrieb zu optimieren, den Wartungs- und Reparaturaufwand zu reduzieren und die Anlagenverfügbarkeit zu verbessern. Dies sind z. B.:

  • Durchflussberechnung ohne zusätzliche Komponenten mit Erkennung von Leckagen und Stauungen,
  • Füllstandsregelungen für die optimale Befüllung und Leerung von Tanks und Behältern,
  • schnelle Rampen zur Sicherstellung der Schmierung von Tauchpumpen,
  • steile Rampen für den ersten Anlauf zur Überwindung der Förderhöhe mit anschließender flacher Rampe zur Vermeidung von Turbulenzen und Trübungen,
  • Trockenlaufschutz,
  • Druckerhöhungs- und „Schlaffunktion“ zur Verlängerung der Ruheperiode und zur Reduktion der Anfahrvorgänge bei wechselndem Durchfluss.

Nachrüstung von Frequenzumrichtern

Vor dem Hintergrund der Energieeffizienz und der optimierten Anlagennutzung wird klar, warum neue Anlagen oder Komponenten heute in der Regel mit Frequenzumrichtern ausgestattet werden. Man gewinnt zusätzliche Funktionalitäten, erhöht die Flexibilität, schont die Anlage und verbessert gleichzeitig Verfügbarkeit, Effizienz und Betriebssicherheit.

Weniger verbreitet als die Verwendung von Umrichtern bei Neuanlagen oder Neukomponenten ist jedoch die Nachrüstung im Bestand. Dabei sprechen neben den oftmals deutlichen Energieeinsparungen weitere Argumente dafür. Eine sinnvolle Nachrüstung ermöglicht es, bestehende Anlagen und bereits vorhandene Komponenten weiter zu nutzen. Durch das Hinzufügen einer bekannten Technik lassen sich Anlagen wirtschaftlicher und effizienter betreiben. Außerdem werden die Anlagen für die digitale Zukunft vorbereitet.

Beispiel einer Einsparberechnung

Einsparpotenziale werden häufig mit Hilfe der online verfügbaren Rechenprogramme der Hersteller ermittelt. Nach Angabe einiger Parameter zur vorhandenen Anlage, Regelung, Fahrweise und Strompreis liefern diese Programme mit wenigen Klicks eine Berechnung des Einsparpotenziales im Hinblick auf Energie, Kosten und CO2.

Das in Abbildung 4 gezeigte Einsparpotenzial erscheint mit 54 % überwältigend. Doch auch Einsparungen von 20 bis 25 % sind interessant und ermöglichen Amortisationszeiten von oft unter zwei Jahren.

Abb. 4 Darstellung aus einem Online-Energiesparrechner für Pumpen. Die Ergebnisse wurden mithilfe des ABB EnergySave Energiesparrechners berechnet. Der EnergySave ist ein interaktiver Energiesparrechner zum Vergleich von AC-Antriebssteuerung und herkömmlichen Stromsteuermethoden bei Anwendungen wie Belüftungen und Pumpen. Im Laufe der Jahre wurden die Formeln, auf Basis derer das Werkzeug funktioniert, weiterentwickelt und gemeinsam mit Pumpen- und Belüftungsherstellern verbessert, um mehr Genauigkeit zu gewährleisten.

Finanzierung – selbst, staatlich gefördert oder über geteilte Einsparung

Die genannten Einsparpotenziale und Amortisationszeiten zeigen, dass Nachrüstungen – wo technisch möglich und sinnvoll – schon wegen der reduzierten Betriebskosten interessant sind. Hinzu kommt der Schutz vor steigenden Strompreisen, steigenden CO2-Abgaben sowie die Reduktion des CO2-Fußabdruckes, deren monetäre Werte in der Amortisationsrechnung noch nicht einmal berücksichtigt sind. Zudem ist jede Nachrüstung zugleich eine Modernisierung.

Die vorgenannten Vorteile von Nachrüstungen führen in der Regel zur Frage der Finanzierung solcher Maßnahmen. Im Wesentlichen gibt es dabei die Selbstfinanzierung durch den Nutzer mit oder ohne staatliche Förderung und das Finanzierungsmodell der InstaGreen GmbH über die geteilten Einsparungen.

  • Selbstfinanzierung

Die Alternative der Selbstfinanzierung bedeutet, dass die Investition über die Einsparung wieder hereingeholt wird, wobei die Amortisationszeiten oftmals kürzer sind als es von anderen Investitionen im Effizienzbereich bekannt ist. Hinsichtlich des administrativen Aufwandes wird dieser Weg meist als direkt und unkompliziert wahrgenommen.

  • Staatliche Förderung

Daneben gibt es verschiedene Förderprogramme, die den Einsatz und die Nachrüstung von Frequenzumrichtern mit teilweise bis zu 40 % der Investitionskosten unterstützen. Um den Rahmen hier nicht zu sprengen, sei nur beispielhaft auf die Bundesförderung für Effizienz in der Wirtschaft – Modul 1 und das Bundesprogramm Energieeffiziente Gebäude (BEG) hingewiesen.

  • Neues Finanzierungsmodell mit geteilter Einsparung

Zusätzlich zu den oben genannten Finanzierungswegen bietet die InstaGreen GmbH neuerdings ein weiteres Finanzierungsmodell an.

Aktuell zeigen viele Unternehmen, aber auch Kommunen eine gewisse Investitionszurückhaltung. Dabei werden Wirtschaftlichkeit und Nachhaltigkeit oft als Widerspruch wahrgenommen. Auf der anderen Seite besteht oft der Druck, Betriebskosten dauerhaft zu senken und sich gegen steigende Strompreise zu schützen. Darüber hinaus nimmt das Interesse zu, auch als Unternehmen einen Beitrag zum Klimaschutz leisten zu wollen. Häufig bestehen sogar direkte Anforderungen der Investoren oder nachfolgenden Kunden in der Lieferkette, den CO2-Abdruck der eigenen Tätigkeit bzw. Produkte zu beziffern und zu reduzieren.

Diesen Konflikt löst die InstaGreen GmbH für ihre Kunden, indem sie bei geeigneten Anwendungen dem Nutzer den passenden Frequenzumrichter kostenlos zur Verfügung stellt, und dafür einen Teil der Einsparungen erhält. Der Anwender hat somit keine Investitionskosten, erhält jedoch ab der Inbetriebnahme die volle CO2-Einsparung und einen Teil der reduzierten Betriebskosten, die er ansonsten nicht realisiert hätte.

Für die richtige Auslegung und technische Umsetzung bei Montage, Inbetriebnahme und Wartung, greift die InstaGreen GmbH dabei auf die Iwik GmbH mit ihrer langjährigen Erfahrung im Antriebsbereich zurück sowie gegebenenfalls auf weitere Kooperationspartner. Damit wird nicht nur eine Finanzierung geboten, sondern auch die tatsächliche Umsetzung der Nachrüstung.

Dieser Beitrag wurde erstveröffentlicht in gwf 9/2021

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