Einsatz einer Pleuger-Unterwassermotorpumpe

Eine zusätzlich nicht alltägliche Anwendung einer Pleuger Unterwassermotorpumpe findet sich zudem bei den Wasserwerken Dillkreis Süd im Westerwald. Hier erzeugt eine rückwärtslaufende Unterwassermotorpumpe - somit eine Turbine - eine nicht unerhebliche Menge an wieder nutzbarer Energie. Für den Betreiber bedeutet dies eine spürbare Kostenersparnis.

Die zur Auswahl stehenden Einbauoptionen einer Turbine im vorhandenen Fernleitungsnetz wurden in Hinblick auf die abzubauenden Fallhöhen, die Volumenströme und eine möglichst lange tägliche Betriebszeit analysiert. Die Auswertung musste die optimale wirtschaftliche Lösung ergeben. Die Entscheidung fiel schließlich auf einen 650 müNN hochgelegenen Speicherbehälter, aus dem Trinkwasser über eine fast 6 km lange Fallleitung über eine im Rohrmantel eingebaute Pleuger Unterwassermotor-Turbine in einen Pufferbehälter geleitet wird. Der dabei nutzbare Höhenunterschied beträgt 124 m. Ausgangsseitig der Turbine ist jedoch eine Höhendifferenz von 16 m in den höher als die Turbine gelegenen Pufferbehälter wieder zu überwinden, so dass sich die Fallhöhe auf 108 m reduziert. Die noch in Abzug zu bringenden Rohrleitungsverluste reduzieren die energetisch nutzbare Fallhöhe weiter auf 100 m. Die Durchsatzleistung beträgt 125 cbm/h bei einer täglichen Betriebszeit von 12 Stunden. Die vorhandenen Druckminderventile in diesem Versorgungsstrang wurden durch die Turbine ersetzt.

Die Auslegung der Pleuger Unterwassermotor-Turbine erfolgte in drei Schritten. Zunächst wurde der Betriebpunkt der auszulegenden Turbine exakt festgelegt. Im zweiten Schritt erfolgte eine Umrechnung der Turbinen-Kennwerte auf Pumpen-Kennwerte. Die Umrechnung basiert auf dem DVGW-Regelwerk, Technische Mitteilung W 613, das die einzelnen Auslegungsschritte expliziert beschreibt.

Abschließend wurde die Auswahl der bestmöglichen Pumpenhydraulik auf Grundlage der erhaltenen Kennwerte durchgeführt. Hierbei zeigte sich, dass die Kombination der Pleuger PN84-4a Hydraulik mit dem wassergefüllten Pleuger Asynchronmotor M8-330-2 als zweipoliger Generator die optimale technische Lösung darstellte, da sie die Vorteile eines hohen Wirkungsgrads mit niedrigen Investitionskosten verband. Das Laufrad der ersten Stufe der Pleuger Unterwassermotor-Turbine ist abgedreht, so dass die Turbine sehr genau auf die vorhandene Wassermenge und Fallhöhe angepasst ist. Das Aggregat ist horizontal eingebaut, und verfügt über einen Druckmantel aus Chromstahl (1.4571). Die Einbaulänge beträgt 2250 mm bei einem Gesamtgewicht von 318 kg, welches am Einbauort durch zwei Halteschellen mit integrierter Unterkonstruktion abgefangen wird. Die Leitschaufelgehäuse sowie das obere und untere Lagergehäuse des Generators sind aus Grauguss, das Statorrohr ist aus Chromstahl (1.4571) und die Laufräder sind aus Noryl gefertigt.

Die erzeugte Stromleistung lässt sich über die Gleichung P_Turbine = Q (l/s) x H (m) x g (m/s²) x η errechnen. Auf Grundlage der genannten Betriebsparameter gibt die Pleuger Unterwassermotor-Turbine eine Leistung von 25 kW ab. Die erzeugte Energie vermindert sich noch um den Wirkungsgrad des Generators, so dass von einer jährlichen Einspeisung von über 90.000 kW/h ausgegangen werden kann. Durch diese Maßnahme wird sich die CO₂-Emission um mehr als 60 t pro Jahr reduzieren.

Die vierstufige Pleuger Unterwassermotor-Turbine konnte in die vorhandene Rohrachse anstelle eines Druckminderventils und mehrerer Formstücke eingebaut werden. Die Anschlussflansche des Druckmantels sind in DN 150, PN 16 ausgeführt, so dass diese ohne weitere Anpassung in die vorhandene Rohrleitungsdimension in einen Verteilschacht unter der Fahrbahndecke einer Ortsstraße eingebaut werden konnten. Ein vorhandener Ringkolbenschieber wird als An- und Abfahrarmatur für die Turbine weiterverwendet. Die Öffnungs- und Schließzeit betragen jeweils 2,5 min., so dass Druckstöße beim An- und Abfahren der Turbine nicht auftreten.

Das im wassergefüllten Druckmantel eingeschlossene Aggregat läuft extrem leise, was eine wichtige Anforderung für den dicht besiedelten Aufstellungsort war. Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Pleuger Unterwassermotor-Turbinen ist die völlige Wartungsfreiheit. Genau wie beim Einsatz im Brunnen sind alle Turbinen- und Generatorenlager wassergeschmierte Gleitlager. Schmiermittel ist das Fördermedium bzw. die Generator-Füllung. Regelmäßige Wartungsintervalle können also vollständig entfallen. Bei einem eventuellen Netzausfall läuft die Pleuger Unterwassermotor-Turbine von der Nenndrehzahl 3080 min^-1 hoch auf die Durchgangsdrehzahl die mit ca. 4400 min^-1 berechnet wurde. Über mehrere Minuten ist dies für die Turbine und Generator unbedenklich, da die Materialauswahl von Welle und Lager für das größere Drehmoment sowie die höheren Drehzahlen speziell ausgelegt wurde.

Der erzeugte Strom wird über einen vorhandenen Stromanschluss in das Niederspannungsnetz eingespeist. Eine Vergütung nach EEG ist hierbei leider nicht möglich, da das Trinkwasser, bevor es durch die Turbine entspannt wird, aus zwei Förderbrunnen in die Vorlage gepumpt wurde. Unter den derzeitigen Rahmenbedingungen erfolgt somit lediglich eine jährliche Vergütung der eingespeisten Energie in Höhe von ca. 4.000 Euro. Bei der Betrachtung aller angefallenen Kosten (Kauf der Turbine, Umbau der vorhandenen Elektroverteilung, Montage, Verzinsung) werden sich die Investition dennoch bereits in 7 Jahren amortisiert haben.

Die Pleuger Unterwassermotor-Turbine wurde im August 2007 in Betrieb genommen und läuft seitdem störungsfrei, wobei die prognostizierten Einspeisungsleistungen erreicht werden.

Über Flowserve:

Die Flowserve Corporation ist einer der weltweit führenden Hersteller von Pumpen, Motoren, Armaturen und Dichtungen. Mehr als 14.000 Mitarbeiter in 56 Ländern repräsentieren ein weltweites Netzwerk mit lokalen Standorten. Pleuger Unterwassermotorpumpen sind durch die Entwicklung des Unterwassermotors durch Herrn F.W. Pleuger im Jahre 1929 entstanden und werden in Deutschland im Werk der Flowserve Hamburg GmbH nach höchsten Qualitätsstandards sowie Zertifizierung nach ISO 9001 gefertigt.

Autor: Dipl.-Wirtsch. Ing. Wolfgang Tillmann, Flowserve Hamburg

Herr Dipl.-Wirtsch.-Ing. Wolfgang Tillmann verfügt über eine langjährige Erfahrung im Einsatz von Unterwassermotorpumpen. Herr Tillmann ist im Vertrieb Deutschland der Flowserve Hamburg GmbH eingesetzt.