Fachartikel: Bessere Motoren steigern den Wirkungsgrad von Abwassertauchmotorpumpen

19.02.2021
30 bis 40 Prozent des weltweiten Strombedarfs entfallen auf Elektromotoren in industriellen Anwendungen – einschließlich Pumpenantriebe.
Fachartikel: Bessere Motoren steigern den Wirkungsgrad von Abwassertauchmotorpumpen

Die Tauchmotorpumpen der Serie XFP zeichnen sich durch höchste Effizienz und Zuverlässigkeit in Abwasseranwendungen aus. (Bildquelle: Sulzer Ltd.)

In den vergangenen zwei Jahrzehnten haben sich deshalb Hersteller, Anwender und Regulierungsbehörden intensiv mit dem übermäßigen Energieverbrauch befasst. So wurden höhere Effizienzstandards für Motoren und Frequenzumrichterantriebe eingeführt, um für eine bessere Abstimmung von Energiebedarf und Energieverbrauch zu sorgen.

Für Motoren, die für Dauerbetrieb (S1) ausgelegt sind, definiert die Norm IEC 60034‑30:2014 der Internationalen Elektrotechnischen Kommission vier Wirkungsgradklassen mit bestimmten Mindestanforderungen: IE1 (Standard-Wirkungsgrad), IE2 (hoher Wirkungsgrad), IE3 (Premium-Wirkungsgrad) und IE4 (Super-Premium-Wirkungsgrad). Jede Stufe der IE-Effizienzhierarchie entspricht einer etwa 20%igen Reduzierung der Motorverluste, was unmittelbar deutliche Einsparungen bei den Betriebskosten mit sich bringt.

Das Update der Norm von 2014 umfasst auch 8-polige Motoren und erweitert die Bemessungsleistung auf den Bereich zwischen 0,12 kW und 1'000 kW. Die US-NEMA-Effizienzstandards sind im Prinzip identisch. In Europa ist der IE3-Standard seit 2017 für neue Industriemotoren mit einer Bemessungsleistung zwischen 0,75 kW und 375 kW verbindlich.

Schätzungen der Europäischen Kommission zufolge haben die derzeitigen Effizienzvorschriften den jährlichen Energieverbrauch europaweit bereits um 57 TWh reduziert. Der Geltungsbereich der Vorschriften wird 2021 noch einmal ausgedehnt, um sowohl kleinere als auch größere Motoren zu erfassen. Hiervon verspricht man sich eine Verdoppelung der Energieeinsparungen bis 2030.1

Effizienz aus einer anderen Perspektive
Tauchmotorpumpen, wie sie in der Wasser- und Abwasserwirtschaft verbreitet eingesetzt werden, sind von den Effizienzvorschriften bislang jedoch ausgenommen. Das liegt in erster Linie daran, dass die Norm IEC 60034 verlangt, die Motoren „nackt“ zu testen, d. h. ohne Dichtungen, Kupplungen oder andere Systemkomponenten. Bei Maschinen mit integriertem Motor und aufwendigen Dichtungssystemen sind die Berechnungen etwas komplizierter, weil diese Verluste zur Hydraulik gehören.

Abgesehen von fehlenden Vorschriften ist der wirtschaftliche Druck zur Steigerung des Wirkungsgrads von Tauchmotorpumpen ebenfalls begrenzt, denn die Einsparungen durch effizientere Motoren sind direkt abhängig von der Betriebsdauer des Motors. Die größten Einsparungen ergeben sich demnach bei Motoren, die das ganze Jahr über im Dauerbetrieb laufen. Infolgedessen haben die Anlagenbetreiber sich bei ihren Energieeffizienzinvestitionen eher auf Anwendungen im Dauerbetrieb konzentriert als auf Abwasserpumpen, die in der Regel etwa 850 bis 2'000 Stunden im Jahr laufen, also etwa 10–25 Prozent der Zeit.

Sulzer hat allerdings starke Argumente für hohe Motorwirkungsgrade auch bei Abwassertauchmotorpumpen, die den Regulierungsbehörden und einigen Anwendern noch nicht in ausreichendem Maße bewusst sind. Aus diesem Grund stattet das Unternehmen alle Modelle seines Abwasserpumpenangebots standardmäßig mit Premium-Effizienz-Motoren der Energieeffizienzklasse IE3 aus.

Geringere Betriebs- und Wartungskosten
Betrachtet man die gesamten Lebenszykluskosten (LZK) einer Pumpe über einen Zeitraum von 15 Jahren, so machen die Energiekosten mit etwa 65 Prozent den Löwenanteil aus, während 15 Prozent auf Betrieb und Wartung entfallen. Auf die Anschaffungskosten der Pumpe selbst entfallen nur etwa 10 Prozent der Gesamtkosten. Hieran ist schon zu erkennen, welche Rolle der Wirkungsgrad bei der langfristigen Kostenbetrachtung spielt. Die verbleibenden 10 Prozent beinhalten Installations- und Stilllegungskosten sowie Ausfallzeiten und Umweltkosten.

Bei Abwasserpumpen gilt es noch einen zusätzlichen Aspekt zu berücksichtigen: Die Pumpe muss so ausgelegt sein, dass sie möglichst selten verstopft. Einer Studie von Water UK zufolge werden in Großbritannien etwa 93 Prozent der Verstopfungen im Abwassersystem durch Feuchttücher und ähnliches Material verursacht.

Ausgehend von der Annahme, dass eine Pumpe alle zwei Monate verstopft, machen die Kosten für die Beseitigung der Verstopfung sowie für eventuelle Reparaturen, Verbrauchsmaterialien und Ersatzteile, einschließlich der Arbeitskosten, 15 Prozent der LZK aus. Mit hochmodernen Laufrädern für mit Feststoffen belastetes Abwasser, die Verstopfungen auf ein Minimum reduzieren, lässt sich dieser Anteil auf 5 Prozent reduzieren.

Bei der Pumpenauswahl sollten Betreiber daher auf zwei Dinge achten: zum einen auf ein Modell, das nach den neuesten Erkenntnissen konstruiert ist und deren Hydraulik sich unter realen Testbedingungen bewährt hat. Wichtig ist aber auch der Gesamtwirkungsgrad der Pumpe, der sich aus der Motorbauart und dem hydraulischen Wirkungsgrad der Pumpe ergibt.

Weniger Energiekosten durch IE3-Motoren
Ein IE3-Motor in Kombination mit einem Pumpenlaufrad, das mit Methoden der numerischen Strömungsmechanik (Computational Fluid Dynamics, CFD) entwickelt wurde, kann die LZK gegenüber einer Pumpe mit niedrigem Wirkungsgrad um 12'000 € reduzieren (unter der Annahme einer 15-jährigen Nutzungsdauer einer typischen 37 kW-Pumpe).

Ein zweiter, aber nicht minder wichtiger Vorteil höherer Wirkungsgrade ist die größere Zuverlässigkeit bzw. Lebensdauer. Motoren geben nicht genutzte Energie in Form von Wärme ab, und in einer geschlossenen Tauchpumpenanwendung kann überschüssige Wärme die Haltbarkeit wichtiger Komponenten wie Wicklung, Lager und Dichtungen erheblich verkürzen. Der verbesserte Wirkungsgrad des IE3-Motors ist gleichbedeutend mit einer niedrigeren Betriebstemperatur. Hieraus ergibt sich direkt eine längere Lebensdauer aller Pumpenkomponenten und ein geringerer Bedarf an Wartungsmaßnahmen.

Die Isolierung der Motorwicklung ist so ausgelegt, dass sie bei einer bestimmten Temperatur eine Mindestlebensdauer von 20'000 Stunden erreicht. Als Faustregel gilt, dass sich die Lebensdauer der Isolierung pro Reduzierung der Betriebstemperatur um 10°C verdoppelt. Die Wicklungen der Sulzer-Motoren sind mit Isolierstoffklasse H für eine Maximaltemperatur von 180°C ausgelegt. Da die tatsächlichen Betriebstemperaturen dieser Motoren mit Premium-Wirkungsgrad eher bei 105 °C liegen, hat die Wicklung eine erwartete Lebensdauer von 320'000 Stunden. Unter Laborbedingungen erreichen bestimmte Sulzer-Pumpen eine theoretische Lebensdauer von einer Million Stunden, bevor die Motorwicklung ausfällt.

Aus all diesen Gründen gehören bei Sulzer auch hocheffiziente Motoren zum ganzheitlichen Konzept für maximale Pumpenleistung und -zuverlässigkeit. Weitere Schlüsselkomponenten dieses Konzepts sind durch CFD leistungsoptimierte Komponenten und das innovative Contrablock Plus-Laufraddesign, das Verstopfungen entgegenwirkt und einen einfachen Verschleißausgleich ermöglicht. Insgesamt können diese Optimierungen die Lebenszykluskosten einer Installation im Vergleich zu herkömmlichen Ausführungen um mehr als die Hälfte senken.

1 https://ec.europa.eu/info/energy-climate-change-environment/standards-tools-and-labels/products-labelling-rules-and-requirements/energy-label-and-ecodesign/energy-efficient-products/electric-motors_en

Autor: Oliver Minetti, Global Product Manager - Sulzer Pumps – Business Segment Municipal Water

 

Quelle: Sulzer Ltd.

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