Achema Trendbericht: Pumpen, Kompressoren und Armaturen – Im Zeichen der Energie-Intelligenz

Ein wichtiger Aspekt dabei ist, dass durch die automatisierungstechnische Ertüchtigung mit Regel-Armaturen und Sensoren die Prozesse an Stabilität gewinnen.

Man hat sich mittlerweile daran gewöhnt, dass vielen Dingen ‚Intelligenz‘ zugesprochen wird; wir kennen intelligente Pumpen und smarte Regelungen – sogar mitdenkende Werkstoffe wurden schon gesichtet. Hinter dem Begriff der ‚Energie-Intelligenz‘ steckt eine deutlich rationalere Bedeutung: Bezeichnet wird damit die zielgerichtete Auswahl und Kombination energieeffizienter Maßnahmen und Komponenten. Und dafür ist durchaus ein gerüttelt Maß an menschlicher Intelligenz vonnöten.

Wie identifiziert man Energieeinspar-Potenziale? Ein schneller Ansatz besteht darin, eine einzelne Komponente (Pumpe, Armatur, Wärmeübertrager, Kompressor) oder einen definierten Teil einer Anlage (Druckluftversorgung, Kühlwasserbereitstellung) unter die Lupe zu nehmen und zu optimieren. Das ist für viele Betreiber sicher ein wichtiger erster Schritt, wie auch eine Studie des Fraunhofer Instituts für System- und Innovationsforschung (ISI) zeigt: Demnach zählen Strömungsmaschinen wie Pumpen, Ventilatoren und Druckluft-Kompressoren zu den besonders energiehungrigen Komponenten einer Anlage.

Wesentlich aufwändiger ist es, eine Anlage als Ganzes zu betrachten und als System zu optimieren. Dieser Systemansatz bietet aber als Belohnung auch die größten Energieeinsparungen. Nicht zuletzt profitiert der Betreiber in vielen Fällen quasi als ‚Zusatz-Bonbon‘ von stabileren Prozessen und Produktqualitäten.

Energie-Intelligenz bei Pumpen

Realistische Schätzungen (Motor Challenge Programm; Hydraulic Institute) gehen davon aus, dass zwischen 20 und 25 Prozent des weltweit erzeugten Stroms von Pumpen verbraucht werden. Und wiederum ein Viertel davon fällt in Anlagen der Prozess- und Verfahrenstechnik an. Allein in der chemischen Industrie Deutschlands sind geschätzt 490.000 Pumpen installiert.

Der überwiegende Teil aller in Betrieb befindlichen Pumpensysteme ist mit Kreiselpumpen ausgerüstet. Weltweit wird dieser Anteil auf ca. 73 Prozent geschätzt, branchenspezifisch (z.B. in der chemischen Industrie) kann der Anteil durchaus auch bei 85 bis 90 Prozent liegen.

Die beste Energienutzung verspricht eine punktgenaue Auslegung der Pumpe und die hydraulisch optimierte Anordnung in der Anlage. Auch eine kontinuierliche Wartung bietet Einsparpotenzial, nimmt doch bei allen Aggregaten durch Abnutzung bzw. Alterung der Wirkungsgrad ab. In Rohrleitungen nimmt der Leitungswiderstand durch Korrosion und Ablagerungen zu. Armaturen werden undicht, was zu Druckverlusten im System führt. Dadurch können Pumpen bei schlechter Wartung nach Angaben der Forschungsstelle Energieeffizienz bis zu 15 Prozent ihres Wirkungsgrades einbüßen.

Im Vergleich zu Kreiselpumpen glänzen Prozess-Membranpumpen in der Praxis oft mit einem doppelt so hohen Wirkungsgrad. Doch wird der theoretisch erreichbare Wirkungsgrad auch bei Verdrängerpumpen insbesondere aufgrund von Reibungsverlusten nicht immer realisiert.

Für Reibverluste verantwortlich sind das Getriebe (5 bis 40 %), die Kolbenpackung (1 bis 20 %), die Lager (je nach Ölniveau bis 3 %), die Pantschwirkung (bis 3 %) und die Hydraulik (2 bis X %). Als Lösungen bieten sich an:

• Einsatz effizienterer Getriebe wie Zahnradgetriebe oder Riemengetriebe

• Eine günstigere Lagereffizienz (keine Dichtscheiben, Mindestmengenschmierung, optimale Viskosität)

• Gegen Pantschverluste eine Mindestmengenschmierung mit geringstmöglicher Viskosität

• Wahl möglichst kurzer Dichtungen mit kleinen Dichtflächen.

Und wer die Pulsation bei einer Verdrängerpumpe erfolgreich in den Griff bekommt, reduziert den Verlust um mehr als 1 Prozent. Denn eine pulsierende Strömung erzeugt unter Normalbedingungen mehr Druckverlust. Kontinuierliche Strömung spart Energie und schont alle Anlagenkomponenten.

ErP-Richtlinie sichert Mindest-Effizienz-Standards

Gemäß der europäischen Ökodesign-Richtlinie (ErP) müssen Hersteller die Energieeffizienz ihrer Technik über den gesamten Lebenszyklus verbessern und die Umweltbelastung reduzieren. Das gilt natürlich auch für Pumpen.

Nahezu alle Motoren im Leistungsbereich von 0,75 bis 375 kW fallen unter die Motorenrichtlinie (EG640/2009), die wie folgt aussieht:

• Schritt 1: Seit dem 16. Juni 2011 müssen alle Motoren die IE2-Norm erfüllen.

• Schritt 2: Ab dem 1. Januar 2015 müssen alle Elektromotoren von 7,5 bis 375 kW entweder die IE3-Norm oder die IE2-Norm unter Verwendung eines Frequenzumrichters (FU) erfüllen.

• Schritt 3: Ab 2017 müssen alle Elektromotoren von 0,75 bis 375 kW entweder die IE3-Norm oder die IE2-Norm unter Verwendung eines Frequenzumrichters erfüllen.

In den USA gelten solche Mindest-Effizienz-Standards bereits seit Jahren, der Anteil an installierten Hocheffizienzmotoren (IE2) ist deutlich höher als in Deutschland/Europa.

Die ErP-Richtlinie basiert auf der einfach nachvollziehbaren Erkenntnis, dass nicht benötigte Energie die ökologisch wie ökonomisch beste Lösung ist. Im Kontext dazu zeigt eine Studie der Deutschen Unternehmensinitiative Energieeffizienz e.V. (DENEFF) und des Wuppertal Instituts: Durch Stromeinsparungen in Unternehmen und Haushalten lässt sich auf die Jahresproduktion von zehn Kernkraftwerken verzichten.

Die schon immer empfohlenen Details einer guten Pumpenauslegung (Arbeitspunkt nahe dem optimalen Betriebspunkt der Pumpe, hydraulisch korrekte Dimensionierung der Rohrleitungen) und die heute verfügbaren Technologien zur Energieeinsparung (effiziente Motoren, Frequenzumformer zur Drehzahlregelung, wirkungsgradoptimierte Hydraulik, Reduktion der Verluste in den Wicklungen und in den Lagern) müssen zum Erreichen dieses Zieles aber sehr konsequent umgesetzt bzw. genutzt werden.

Die Forschungsstelle Energieeffizienz hat dazu 2009 einige Zahlen ermittelt: Die Investitionskosten setzen sich aus den Kosten des Frequenzumrichters in Höhe von 100 bis 200 Euro/kW Pumpenleistung und den Installationskosten von etwa 2000 Euro je Pumpeneinheit zusammen (die Kosten sind als Richtwerte zu betrachten).

Auch die Laufradanpassung ist eine Möglichkeit, die Leistung einer Kreiselpumpe anlagenspezifisch zu optimieren. Das verringert die Leistungsaufnahme der Pumpe. Das Einsparpotenzial liegt je nach Reduzierung der Pumpen- und Motorleistung zwischen 10 und 40 Prozent. Das Anpassen kostet je nach Laufradgröße bis zu 1000 Euro.

Interaktionsfähige E-Pumpen

Der Einsatz drehzahlregelbarer Antriebe kann nicht nur Energie und Kosten einsparen, sondern macht die Pumpe zudem interaktionsfähig. Eine mit Sensoren und mikroelektronischen Bauteilen bestückte Pumpe steht dann als Aktor zur Verfügung, kann sozusagen „handelnd“ auftreten und den Prozessverlauf mitbestimmen.

Über die kommunikationsfähige, parametrierbare Pumpe wird 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 zu richtigen Zeit präzise zudosiert werden.

Im Vergleich zu mechanischen Regelkonzepten wie dem Drosseln lässt sich die Durchflussmenge mit einem drehzahlvariablen Antrieb wesentlich genauer steuern – bei kürzeren Reaktionszeiten. Die E-Pumpe passt also bei Bedarfsschwankungen die Fördermenge wesentlich schneller und exakter dem aktuellen Bedarf an. Drehzahlregelbare Pumpen arbeiten deshalb nicht nur energieeffizienter, sie helfen auch, Prozesse zu stabilisieren.

Hemmnisse überwinden

Es stellt sich die Frage, wieso Betreiber nicht alle genannten Optimierungsmöglichkeiten bereits umsetzen. Es gibt diverse Erklärungsansätze dafür:

• Entscheidung nach Amortisationszeit: Viele Unternehmen geben für alle Investitionen eine maximale Amortisationszeit von zwei bis drei Jahren vor. Die Amortisationszeit ist aber im Grunde ein reines Maß für das Risiko einer Maßnahme, ermöglicht jedoch keine Aussage über die Rentabilität. Dafür muss die Kapitalwertmethode herangezogen werden.

• Fehlendes technisches Grundverständnis: Der Energieverantwortliche kann die Berechnungen nicht so aufbereiten, dass sie von Entscheidern ohne technisches Grundverständnis verstanden werden.

• Sparzwang: Investitionen, die nicht unbedingt notwendig sind, werden abgelehnt.

• Fehlendes Personal: Energieeinsparpotenziale sind bekannt, jedoch fehlt die Zeit zur genaueren Betrachtung und Umsetzung.

• Investition nur bei Defekt: Häufig wird nur bei einem Anlagenausfall über eine Reinvestition nachgedacht. Dann muss die neue Anlage schnell verfügbar und möglichst billig sein. Lebenszykluskosten werden nicht betrachtet.

• Mangelnde Aufschlüsselung der Kostenstellen: Viele Unternehmen kennen nur ihren gesamten Energieverbrauch, der Energieverbrauch in den einzelnen Anlagen wird nicht erfasst. Auch die Personalkosten für Wartung alter Anlagen werden häufig nicht anlagenbezogen ermittelt. Ohne Kenntnis des Energieverbrauchs und der Personalkosten der aktuellen Anlagen können ineffiziente Anlagen nicht erkannt werden, eine Anlagenoptimierung ist nicht wirtschaftlich darstellbar.

Energie-Intelligenz bei Kompressoren

Druckluft wird in der Industrie wie Strom aus der Steckdose verwendet – und ist deshalb als Energieträger in vielen Produktionsprozessen hoch geschätzt. Allein in Deutschland sind etwa 62.000 Druckluftanlagen installiert. Gerade weil Druckluft so sicher und einfach in der Handhabung ist, sind für viele Betreiber die dabei entstehenden Kosten nachgeordnet. So löst sich durch Leckagen zum Teil viel Geld buchstäblich in Luft auf; Verlustraten von 15 Prozent sind eher die Regel als die Ausnahme, manchmal erreichen sie sogar bis zu 70 Prozent. Inzwischen bieten alle namhaften Hersteller Druckluft-Audits an. Damit werden Leckagen identifiziert, falsch dimensionierte Leitungen erkannt oder eine nicht bedarfsgerechte Erzeugung ermittelt.

Höchstmögliche Energieeffizienz jeder einzelnen Druckluft-Komponente ist zwar eine notwendige, aber noch keineswegs hinreichende Voraussetzung für ein optimales Gesamtsystem. Mit Ausnahme von kontinuierlich ablaufenden Prozessen der Verfahrenstechnik weist das per Analyse gewonnene Bedarfsprofil üblicherweise Schwankungen auf. Dann kann es sinnvoll sein, mit drehzahlgeregelten Kompressoren zu arbeiten. Bei größeren Anlagen empfiehlt sich zudem der Einsatz einer übergeordneten Steuerung. Der Vorteil: Mehrere Kompressoren lassen sich in einer Station aufeinander abgestimmt betreiben. Dann kann zum Beispiel durch Lastverteilung (Splitting) auf mehrere Kompressoren unterschiedlicher Größe das Lastverhalten wirtschaftlicher gestaltet werden.

Eine zentrale Druckluftstation bietet dem Betreiber Vorteile, sofern nicht extrem lange Leitungen für eine dezentrale Versorgung sprechen. Lassen sich Kompressoren bündeln, vereinfacht das nicht nur Service und Wartung. Da bei der Verdichtung vor allem Wärme entsteht, kann ein System zur Wärmerückgewinnung die Energiekosten weiter senken. Es lassen sich bis zu 96 Prozent der dem Kompressor zugeführten Energie als Abwärme ein zweites Mal nutzen (z.B. für Heizzwecke).

Druckluft-Contracting gewinnt an Fahrt

Immer mehr Unternehmen nutzen die Möglichkeit, Druckluft mit einer neuen und energieeffizienten Anlage zu erzeugen, ohne Investitionsmittel zu binden – Stichwort Contracting. Bevor das Druckluft-Contracting-Modell gemeinsam mit dem Kunden erarbeitet werden kann, ist das Druckluftprofil zu ermitteln: Also Druckluftverbrauch maximal, durchschnittlich und minimal. Wichtig ist auch das dynamische Verbrauchsverhalten, also: wie groß sind die Verbrauchsänderungen bezogen auf Volumenstrom und Druck innerhalb einer Minute, Stunde oder eines Tages? Welche Druckluftqualität wird benötigt? Und: Arbeitet der Kunde im Einschicht- oder Mehrschicht-Betrieb?

Kurz: Wer sich dafür entscheidet, statt eines Kompressors lediglich die Druckluft zu kaufen, verbessert die Kostentransparenz. Exakte Messverfahren garantieren, dass nur die Druckluftmenge berechnet wird, die tatsächlich dem Netz entnommen wurde. Neben der Kostentransparenz ist das kontinuierliche Optimieren der Druckluftkosten ein Hauptvorteil des Contracting-Systems.

Leckagen identifizieren

Dass Druckluft ein teurer Energieträger ist und Leckagen unbedingt zu vermeiden sind – die ‚verlorene‘ Druckluft muss schließlich mit Hilfe energieintensiver Kompressoren kontinuierlich neu erzeugt werden –, ist bekannt und wird dennoch in der Praxis nicht immer ausreichend berücksichtigt.

Die oft stark verzweigten, kilometerlangen Druckluftleitungen können aus den unterschiedlichsten Gründen Leckagen aufweisen. Man kann sie beispielsweise durch den Einsatz hochsensibler, thermischer Durchflusssensoren (Messbereichsdynamik bis 1:1.000) identifizieren. Der Strombedarf für Druckluft eines Batterieherstellers konnte auf diese Weise um 563 MWh/a gesenkt werden. Dies entspricht einer Einsparung von 21 Prozent (ca. 327 t CO2), wie der ZVEI berichtet.

Energie-Intelligenz bei Armaturen

Nach der Explosion der Bohrinsel im Golf von Mexiko besteht rund um das Thema ‚Oil & Gas’ ein enormer Innovationsdruck. Dazu präsentieren mehrere Hersteller Lösungen im Bereich LDAR (Leak Detection and Repair).

Pilotgesteuerte Sicherheitsventile sind bereits seit Jahren in den USA und auch im mittleren Osten bewährt; in den meisten europäischen Ländern sind solche Ventile erst durch die harmonisierte Norm DIN EN ISO 4126-4 zulässig. Ihr Vorteil: Die bis zum Ansprechdruck steigende Zuhaltekraft eines solchen Ventils bietet dem Betreiber den Vorteil, seine Anlage nahe am Ansprechdruck des Ventils betreiben zu können. Zudem erlauben Pilot-gesteuerte Sicherheitsventile höhere Gegendrücke als federbelastete Sicherheitsventile. Dazu wird die Zuhaltekraft nicht durch eine Feder aufgebracht, sondern durch das abzusichernde Medium selbst. Zu den Anwendungsgebieten solcher Sicherheitsventile gehören Chemieanlagen, Raffinerien und Offshore-Anwendungen.

Automatisierung reduziert Betriebskosten

Zwei Anforderungsprofile einer Armaturen-Automation sind zu unterscheiden: Zum einen die reine Auf/Zu-Steuerung, bei der die Armatur nur in ihre jeweilige Endlage zu fahren ist; zum anderen den Regelbetrieb, wo mit einem Sollwert über die Veränderung der Armaturenstellung der Rohrleitungs-Durchfluss überwacht wird. Zu beachten ist, dass die Automatisierungskosten einer Armatur nicht nur von der Wahl der Industriearmatur selbst, sondern auch von den Betätigungsarten (manuell, elektrisch, pneumatisch, hydraulisch) abhängt; je nach Kombination ergeben sich unterschiedliche Investitions-, Betriebs- und Energiekosten.

Und noch ein weiterer Aspekt spielt eine Rolle: 90°-Armaturen (Klappe, Hahn) benötigen im Vergleich zu den Linear-Armaturen (Ventil, Schieber) eine vergleichsweise geringe Stellkraft – der Antrieb fällt deshalb entsprechend kleiner und kostengünstiger aus.

Mit ‚Opos Interface’ offerieren mehrere Partner eine Standard-Schnittstelle für die zuverlässige und effiziente Verbindung eines intelligenten Stellungsreglers mit einem pneumatischen Schub- bzw. Schwenkantrieb. Die Schnittstelle zeichnet sich aus durch eine kostengünstige Montage, reduzierte Lagerhaltungskosten für Ersatzteile, erhöhte Zuverlässigkeit und Standfestigkeit sowie sicheren Stellungsreglertausch im laufenden Betrieb mittels integrierter Verblockung. Dies gilt besonders bei sicherheitsgerichteten Applikationen. Die Standard-Schnittstelle ist herstellerunabhängig und bietet Anwendern bei der Auswahl von Produkten hohe Flexibilität.

Bei mangelnder Wartung können Regelventile die Prozesssicherheit erheblich negativ beeinflussen. Um den tatsächlichen Zustand eines Regelventils im Prozess zu erfassen, sind komplexe Analysen und die Erfahrung des Herstellers wichtig. Eine Reihe von Unternehmen haben Lösungen entwickelt, um das zu ermöglichen; so beispielsweise ein netzwerkfähiges Diagnosesystem für Regelventile, das in einen Überwachungsleitstand vor Ort oder in ein Plant Asset Management über FDT/DTM eingebunden werden kann. Ventil und Stellungsregler werden konstant überwacht. Der Anbieter richtet das vollautomatische Diagnosesystem darauf aus, nicht auf Symptome hinzuweisen, sondern eine vorausschauende, vorbeugende Diagnose zu bieten: Der Fokus liegt auf dem Status des Ventils und weniger auf Alarmmeldungen. So werden die Ursachen für Probleme erfasst, und es werden Vorschläge gemacht, mit welchen Schritten die Funktionsfähigkeit des Ventils und des gesamten Produktionsablaufes verlängert wird.

Kann eine automatisierte Armatur zur Energieeffizienz beitragen? Durchaus, wie der ZVEI herausgefunden hat: Mit elektro-pneumatischen Stellungsreglern lassen sich Ventile in Durchflussleitungen optimal regeln. Vor allem bei schnellen Prozessen in chemischen und petrochemischen Verfahren werden Störgrößen wesentlich rascher ausgeregelt, wodurch Prozessanlagen mit weniger Primärenergie eine größere Produktmenge liefern. Durch die Umrüstung nur eines Regelventils mit einem intelligenten elektro-pneumatischen Stellungsregler und einer entsprechenden pneumatischen Verschaltung (in einer OLEX-Anlage zur Trennung von Butan und Buten), konnte die Produktausbeute um 3 Prozent gesteigert werden.

Über akustische Sensoren können undichte Ventile entdeckt und ein schleichender Produktverlust verhindert werden. Würde bei einem Fackelventil mit Nennweite DN 150 und einem Vordruck von 20 bar durch Verschleiß unbemerkt eine Leckage von 3 Prozent – entsprechend einem Leckverlust von 800 kg/h – auftreten, entstünden Produktverluste von bis zu 10.000 Euro pro Tag. Darüber hinaus verbrauchen moderne Stellungsregler im Gegensatz zu klassischen Geräten nur ein Zehntel an Instrumentenluft, was den Hilfsenergieverbrauch in den Anlagen deutlich reduziert. Konventionelle Stellungsregler verbrauchen etwa 200 bis 250 Euro Instrumentenluft pro Jahr und pro Gerät, sodass sich bei einem mittleren Betrieb mit z.B. 100 Stellventilen pro Jahr bis zu 20.000 Euro einsparen lassen. Der Druckluftverbrauch in Anlagen kann somit effizienter gefahren werden.

Fazit: Die Hersteller von Pumpen, Kompressoren und Armaturen müssen sich noch immer vielfach im Wettbewerb über den Verkaufspreis behaupten und nicht über die Betriebskosten ihrer Technik. Alle Beteiligten sollten sich deshalb darauf einigen, mit der Kapitalwertmethode zu arbeiten und nicht mehr auf reine Amortisationszeiten zu setzen. Auf der Achema 2012 vom 18. bis 22. Juni in Frankfurt am Main werden ‚Energie-Intelligenz‘-Lösungen für Pumpen, Kompressoren und Armaturen zeigen, wie Anlagenbetreiber nicht nur Kosten sparen, sondern auch mehr Prozesssicherheit gewinnen.

Die Achema Trendberichte werden von internationalen Fachjournalisten zusammengestellt. Die Dechema ist nicht verantwortlich für unvollständige oder falsche Informationen.