Wettbewerbsvorteil: Effiziente Gemüse-Beregnung

17.03.2011

Im Land- und Gartenbau gilt wie überall in der Primärproduktion hoch entwickelter Industrieländer das Effizienzgebot: Sparsamer Umgang mit Ressourcen wie Boden, Wasser und Energie ist von ökologischer und wirtschaftlicher Vernunft diktiert.

Bild: Aus dem Speicherbecken, in dem sich das Wasser erwärmt, fördern die Etanorm-Pumpen während der Saison das begehrte Medium zum Beregnen. (Foto: KSB)

Häufig ist er zusätzlich auch gesetzlich reglementiert. Eine Agrargenossenschaft hat im sachsen-anhaltinischen Barleben im Jahr 2009 eine neue Pumpenstation von KSB in Betrieb genommen. Sie nutzt sie erfolgreich für ihren Wasserbedarf zur Gemüseproduktion. Im Mittelpunkt der Beregnungsversorgung stehen 6 Etanormpumpen E 080/250 G10. Das Pumpenregelsystem PumpDrive von KSB sorgt hierbei für die optimale Beregnung bei wechselndem Wasserbedarf. Die jeweils bedarfsabhängige Pumpenleistung schwankt dabei im weiten Bereich zwischen 50 und 900 Kubikmetern pro Stunde. Die Barlebener Anlage ist weltweit die derzeit größte mit PumpDrive geregelte. Weltweit laufen derzeit ca. 25.000 Pumpenanlagen, in die das KSB-Regelsystem integriert ist. Die Anwender und Betreiber in Barleben berichten über die Ziele und den Verlauf des Projektes sowie über den Nutzen.

Kriterien, Entscheidungsprozesse und Partner

In den Jahren 2006 bis 2008 analysierten die Barleber Gemüselandwirte um die Vorstände Jürgen Herrmann, Dr. Ullrich Bertram, Werner Behrends und die Verantwortlichen Mitarbeiter Hans-Ulrich Zander und Eckehard Voigt kritisch den Ist-Zustand ihrer 35 Jahre alten Beregnungsanlage. Sie beschlossen daraufhin, in eine kostengünstigere, sparsamere Wasserzufuhr zu investieren. Auf der Basis ihrer gegebenen Voraussetzungen (s. a. Infokasten 3) stellten sie einen Kriterienkatalog für ihre neuen Pumpenaggregate zusammen: Diese sollten für die umfangreichen Beregnungsanlagen einerseits die volle Leistung von max. 900 m³/h effizient erbringen, anderseits auch im Leistungsminimum nahe Null möglichst energiesparend arbeiten. Weitere Bedingungen: Autarker, d. h. mannloser Betrieb, selbstansaugend und Verzicht auf einen TÜV-abnahmepflichtigen Druckbehälter. Das System soll den Wasserdruck selbsttätig und unabhängig von den angeschlossenen Regnern konstant halten, so dass auch bei deren Nichtbetrieb Entnahmen ohne anderweitige Zusatzaggregate möglich sind.

Die Geschäftsbeziehungen zum Partner für die neue Pumpenanlage bestanden bereits zwei Jahre vor der Investition. Denn ihre Wasser-Förderaggregate ließen die Barleber Landwirte aus rationalen Gründen beim Hersteller in Halle warten und reparieren. Die Halleschen Pumpenwerke GmbH hatte der weltweit agierende KSB-Konzern im Jahre 1990 übernommen. In Deutschland betreibt KSB vom rheinland-pfälzischen Frankenthal aus drei neue Produktionsstandorte und brachte ihre über 130jährige Pumpentradition mit zu den Hallenser Pumpenbauern. Die bewährten Beziehungen bilden jedoch allein noch keine hinreichende Geschäftsbasis, sondern nur den Anlass zum gründlichen Prüfen des Angebots. Mehrere Marktbegleiter präsentierten ebenfalls ihre Lösungen. Darunter befanden sich die Optionen mit Tauchpumpen bzw. vertikalen Kreiselpumpen mit Nassaufstellung, die jedoch unter den in der Anwendung gegebenen Voraussetzungen technisch nicht passten. Dem gegenüber setzte sich das KSB-Konzept als das technisch realisierbare und wirtschaftlich günstigere durch: Sechs einstufige Pumpen sind „trocken“ oberhalb des Beckens aufgestellt – ähnlich wie in der Vorgänger-Anlage. Im Unterschied zu diesen erfüllen sie jedoch das Effizienzgebot auch bei minimaler Leistungsabgabe, d. h. sie arbeiten auch bei reduzierter Beregnungsfläche nahe dem Energieverbrauchs-Optimum. „Häufig betreiben wir gleichzeitig nur einen unserer beiden Schlauchregner. Er fördert 75 Kubikmeter pro Stunde auf unsere Felder. Für diesen typischen Einsatz ist die KSB-Lösung ein Glücksfall – ebenso wie für Fördervolumen im Bereich des Zehnfachen“, erklärt Hans-Ulrich Zander. Der verantwortliche Elektromeister der Genossenschaft präsentiert dazu Zahlen: „Die Einsparung an Energie pro gepumpter Wasservolumeneinheit beträgt gegenüber der alten Lösung gut 50 Prozent! Von rund 1,5 Kilowattstunden elektrischer Energie pro Kubikmeter gefördertem Wasser, die wir als Durchschnittswert für 2005 bis 2008 ermittelten, sank der Verbrauch auf 0,73 kWh in 2009!“

Bild: Sechs Pumpen Etanorm E 080/250 G10 fördern das Beregnungswasser für ca. 800 ha Gemüseland direkt aus dem 4500-Kubikmeter-Becken (Foto: KSB).

Die Lösung

Im Mittelpunkt des Lösungskonzept stehen sechs nahezu verschleißfeste Pumpen Etanorm E 080/250 G10 aus Grauguss mit Bronze-Laufrädern. Mit jeweils 45 kW erreichen sie bei ca. 6,5 bar eine maximale Fördermenge von ca. 1000 m³/h. Eingesetzt ist das Pumpregelsystem PumpDrive von KSB. Kernstück sind auf die Pumpen abgestimmte Frequenzumrichter. Mit Hilfe der in PumpDrive hinterlegten Betriebsparametern sorgt die frequenzumrichterbasierte Antriebsregelung dafür, dass so wenig Antriebe (Motoren) wie möglich und diese mit der optimalen Drehzahl laufen. Die im Barleber Anwendungsfall realisierte Drehzahlvarianz reicht von 41 bis 50 Hertz. Bei Drücken von ca. 6 bar entspricht dies einem Leistungsspektrum mit außergewöhnlicher Breite. Es reicht von 50 m³/h bis zum fast Zwanzigfachen der Förderleistung von 900 m³/h.

Obwohl mehrstufige Pumpen mit ihrer steileren Kennlinie im Allgemeinen besser regelbar sind, wählten die Planer von KSB im konkreten Fall einstufige. Sie haben einen größeren Laufrad-Durchgang als mehrstufige Pumpen. Unter der gegebenen Bedingung des leicht verschmutzten Fördermediums gestaltet sich dies weniger störanfällig, d. h. betriebszuverlässiger. Steigt die Leistungsaufnahme vom niedrigen auf einen höheren Wert und ist die maximale Leistung der bereits fördernden Pumpen erreicht, so löst der sinkende Wasserdruck das Zuregeln der nächsten Pumpe aus. PumpDrive sorgt dann dafür, dass die Drehzahl und damit die Leistung aller jeweils fördernden Pumpen gleich ist. Bei voller Beregnungsleistung arbeiten dann alle sechs Pumpen nahe dem Auslegungspunkt.

Bild: Das Pumpensystem mit dem Regelsystem PumpDrive bedienen die Barlebener Betreiber komfortabel vom Schaltschrank aus, erläutert Oliver Enßlen, Kundenbetreuer im Auftrag von KSB. (Foto: KSB)

In die Anlage ist auch ein neuer, stark verkleinerter Kessel installiert. Seine Funktion besteht primär im Ausgleichen von Tropfleckagen. Im Unterschied zum vorher installierten 10-Kubikmeter-Behälter braucht er keine kostenpfichtigen TÜV-Abnahmen mehr. Seine 500-Liter-Kapazität belegt das enthaltene Wasser mit ca. einem Drittel, der Rest ist Luft.

Besonderheiten: Evakuierungskreislauf und Kennfeld-Ventil

Durch die direkte Rohrverbindung gelangt das Wasser aus dem Becken in die Pumpen. Auf die Saugleistung mindernde Fußventile haben die Planer von KSB bewusst verzichtet. Um das Bilden von Lufteinschlüssen besonders beim Pumpenstillstand auf der Saug- und Druckseite zu verhindern, ist jede der sechs Etanorm E 080/250 G10 an ein automatisches Evakuierungssystem angeschlossen. Es besteht aus einer Flüssigkeitsring-Vakuumpumpe mit einer Sammelleitung und einzelnen parallel geschalteten Anschlüssen vor und hinter dem Laufrad. Der Evakuierungskreislauf gleicht automatisch dennoch entstehende Leckageverluste aus und hält das Rohrleitungssystem gefüllt. So stehen die Etanorm E 080/250 G10 stets betriebsbereit. Nach der Beregnungssaison wird die gesamte Anlage entleert.

In den Druckleitungen der einzelnen Pumpen werden besonders strömungsarme Rückflussverhinderer eingebaut. Diese haben in ihrer Charakteristik ein Kennfeld hinterlegt und arbeiten somit auch in halb geöffnetem Zustand zuverlässig. Dieses Verhalten optimiert den Pumpen-Parallellauf im Frequenzumrichter-Betrieb. Der Nutzen: Minimierte Druckverluste und damit energiegünstiger Pumpenbetrieb.

Erfahrungen und Ergebnisse

Seit der Inbetriebnahme der neuen Pumpenanlage im Mai 2009 sind sich die Barleber Betreiber sicher, die richtige Entscheidung getroffen zu haben. Geschäftsführer Jürgen Herrmann legt dar: „Unsere Investition in das neu konzipierte Pumpensystem wird sich schnell amortisiert haben. Allein in unserer 2009er Erntekampagne sparten wir so viel an Energie zum Fördern des Beregnungswassers, dass die Anlage daraus theoretisch finanziert ist.“ Elektromeister Hans-Ulrich Zander bewertet auch die Dienstleistungen bei Betreuung, Beratung, Wartung und Gewährleistung überaus positiv: „Unsere Lösung bewährt sich bei minimalem Beregnen ebenso wie im Maximum. Auftretende Probleme lösen die Service-Fachleute von KSB unbürokratisch und ohne Diskussion.“ Interessierte Kollegen mit ähnlichen Beregnungsaufgaben lädt er ein: „Ich empfehle ihnen, sich unsere Anlage anzusehen, für den eigenen Bedarf anzupassen und gegebenenfalls zu übernehmen.“

Infokasten 1
Effizienter Betrieb von Kreiselpumpen: Nutzen-Faktoren im Überblick

Die robusten, langlebigen Niederdruck-Kreiselpumpen der Etanorm-Serie von KSB sind für ihren zuverlässigen Dauer-Einsatz z. B. in Wasserwerken mit besonders verschleißarmen, weitgehend unempfindlichen Funktionskomponenten ausgestattet. Ihre optimierte Hydraulik gewährleistet einen hohen Wirkungsgrad. Speziell für Nutzer von Bewässerungsanlagen stehen Etanorm-Pumpen zur Verfügung. Die Anlagen-Experten von KSB entwickeln und realisieren Projekte bedarfsgerecht für ihre Kunden. Bereits die Wahl der richtigen Pumpe für die jeweilige Aufgabe im passenden Leistungsbereich bestimmt wesentlich die Energiekosten während des Betriebes.

Eine weitere wesentlich Komponente zu höherer Energie-Effizienz bildet die Drehzahlregelung der Kreiselpumpe auf der Grundlage eines Frequenzumrichters. Bei Applikationen mit schwankendem Förderstrombedarf, variierendem Zulaufdruck und hoher jährlicher Betriebsstundenzahl sinkt der Energiebedarf um bis zu 60 Prozent gegenüber dem Betrieb mit fester Drehzahl. Das Abstimmen einer Frequenzumrichterbasierten Mehrpumpen-Drehzahlregelung auf die jeweiligen Pumpeneigenschaften bedarf der Expertise von Fachleuten.

Das System PumpDrive von KSB mit Zusatzfunktionen, z. B. der Druckregelung mit förderstromabhängiger Sollwertnachführung bei Teillast, ist herstellerunabhängig in vorhandene Anlagen integrierbar. Ausgehend von den hinterlegten Betriebsparametern der Pumpe wie Pumpenkennlinie, Regelcharakteristik oder Diagnoseparameter, passt sich die Drehzahl der laufenden Pumpe der jeweils benötigten Beregnungswassermenge an. Die Schnittstellen der PumpDrive Frequenzumrichter erlauben das einfache Einbinden in Prozessleitsysteme.

Infokasten 2
Agrar-Genossenschaft eG Magdeburg-Nord: Historisches, Agrarökonomie und Beregnungstechnik

Die Magdeburger Börde mit ihren Löß- und Schwarzerdeböden nördlich der sachsen-anhaltinischen Landeshauptstadt ist ein traditionelles Landbaugebiet. Im Regenschatten des Harzes gelegen, fällt auf natürlichem Wege jedoch nicht genügend Wasser auf die hochwertigen Böden, um darauf z. B. Gemüse zu kultivieren. In Barleben ergänzt deshalb seit den 1970er Jahren künstliche Beregnung die unregelmäßigen natürlichen Niederschläge, so dass die Landwirte hier außer Getreide und Hackfrüchten auch Zwiebeln, Buschbohnen, Spinat oder Grünkohl kontinuierlich produzieren können. Heute behauptet sich die 1991 aus einer LPG (landwirtschaftliche Produktionsgenossenschaft, d. h. planwirtschaftlich organisierter Betrieb der DDR) hervorgegangene Agrar-Genossenschaft eG Magdeburg-Nord in der marktwirtschaftlichen Konkurrenz. Die Ergebnisse dieses, zu den größten Gemüseproduzenten Sachsen-Anhalts zählenden, in allen Bereichen zertifizierten Betriebes sind beachtlich. Die Menge des jährlich in der Agrar-Genossenschaft erzeugten Gemüses von ca. 10.000 Tonnen reicht aus, um den Jahresbedarf von über 100.000 Verbrauchern zu decken. Speziell die Jahresernte an Bohnen entspricht dem jährlichen Verbrauch von mehr als eineinhalb Millionen Konsumenten. Von den 35 Genossenschaftsmitgliedern bringen sich 21 aktiv als Mitarbeiter ein. Sie wissen, dass das sichere Erfüllen ihrer Lieferverträge und damit die Existenz ihres Betriebes sowie ihrer persönlichen Einkommen direkt von zuverlässiger, effizienter Beregnung abhängt.

Infokasten 3
Beregnung in Barleben: Gegebenheiten, Defizite und Wünsche

Ausschließlich Gemüsekulturen dürfen in Sachsen-Anhalt beregnet werden. Die Barlebener Genossen bewirtschaften 600 Hektar Gemüseland. Im Vorjahr 2009 verbrauchten sie dafür die zulässige Wassermenge von einer Viertelmillion Kubikmeter. Die gegebene Versorgungsbasis zur künstlichen Bewässerung bilden ein rund 5 km langes Netz aus unterirdisch verlegten Rohren, zusätzlich oberirdische mobile Stahlrohre sowie ein 40 x 40 Meter großes, 4.500 m³ fassendes Speicherbecken. „Zu LPG-Zeiten vor 1991 hatten wir ungefähr die doppelte Gemüseanbaufläche zu beregnen. Unsere alten Pumpen waren auf diese Kapazität ausgelegt. Heute verbrauchen solche Pumpen vom Typ KRZH jedoch mit ihrem ständigen An- und Abschalten mehr Strom, als bei der verringerten Leistungsabnahme erforderlich wäre“, erläutert Vorstandsmitglied Jürgen Herrmann den Investitionsanlass. „Außerdem behinderten uns die technisch völlig überholte, inzwischen nur noch händisch zu bedienende Steuerung mit den Schützen, für die keine Ersatzteile mehr zu bekommen sind, und die häufigen Schwierigkeiten im Winter mit vereisten Ventilen. Hinzu kam, dass wir die geltenden wasserrechtlichen Bestimmungen kaum noch ohne gravierende Nachteile erfüllen konnten: Wenn wir unsere fünf alten, unflexiblen 135 Kilowatt-Pumpen bei extremer Trockenheit unter Volllast betreiben mussten, förderte jede von ihnen 300 Kubikmeter pro Stunde, zusammen also 1500 Kubikmeter. Erlaubt sind aber nur 900.“

Drei verschiedene Typen von Beregnungsanlagen sind mit Wasser zu versorgen. Erstens: Acht robuste Kreisberegner „Fregatt“ aus 1974er UdSSR-Produktion, die jeweils einen fixen Drehpunkt für den über 300 Meter langen radialen Arm besitzen. Dessen Geschwindigkeit bestimmt mit zweieinhalb bis fünf Tagen für einen Vollkreis die ausgebrachte Wassermenge. Zweitens circa 20 linear zu bewegende Rollregner, die aus Getrieberohren mit daran befestigten Rädern bestehen. Das Wasser bewegt die Räder jeweils 4 bis 5 Umdrehungen, bevor es aus Düsen austritt und auf die Pflanzen regnet. Die Rollregner stammen noch aus DDR-Produktion. Zwei Schlauchberegner gehören zum dritten Beregnungstyp. Dieser ist flexibler, produktiver und wartungsärmer als die beiden anderen und eignet sich besonders für kleinere Restflächen. Mindestens 75 m³ „Regenwasser“ pro Stunde bringt er auf den Acker. Die Anlage Marke „Rainstar E51“ eines österreichischen Herstellers besteht aus einem ca. 600 Meter langen, auf eine Trommel gerolltem Schlauch, der auf einem wagenartigen Gestell fahrbar ist und das sich gleichfalls hydraulisch betrieben bewegt. Die beiderseits am Gestell ausklappbaren Rohr-Ausleger sind bis zu 70 Meter breit. Das in Düsen beschleunigte Wasser trifft auf einen Prallteller, der es kreisförmig zerstäubt.

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