Anlagenbau & Prozesstechnik

Energieffiziente Pumpsysteme in der Chemieindustrie

07.05.2012 -

Energieffiziente Pumpsysteme in der Chemieindustrie

Um die rapide steigenden Energiekosten in den Griff zu bekommen, setzen die Verantwortlichen in der Chemieindustrie vor allem auf optimierte Prozesse. Es lohnt sich zudem, den Einsatz Energiesparender Querschnittstechnologie wie Pumpen- oder Druckluftsysteme zu prüfen, und zwar nicht nur bei der Neuplanung, sondern auch bei bestehenden Anlagen. Durch eine Optimierung des Gesamtsystems in Verbindung mit Einsatz von Energiesparmotoren und/ oder Drehzahlregelungen für Pumpen (Frequenzumrichtern) können sich damit verbundenen Investitionen über geringere Lebenszykluskosten – u.a. geringerer Energieverbrauch und geringere Instandhaltungskosten - schon nach wenigen Monaten amortisieren. Weniger Ausfälle bzw. eine höhere Verfügbarkeit (Funktionssicherheit) der so optimierten Pumpensysteme sind ein weiterer „Nebeneffekt“.

Die chemische Industrie zählt zu den besonders energieintensiven Branchen. 5 % des gesamten deutschen Energiebedarfs entfallen auf die Chemie, bei den wichtigen Energieträgern Strom und Gas sind es sogar rund 10 %. Die durchschnittlichen Energiekosten (thermische plus elektrische Energie) machen etwa 10 % der Betriebskosten aus. Es gibt allerdings beträchtliche Unterschiede – während die Pharmaindustrie mit maximal 2 % kalkuliert, sind es in der Grundstoffchemie zum Betrieb von Crackern, Ammoniakanlagen und Elektrolysen bis zu 40 %!

Hoher Strombedarf für Pumpenantriebe

Die Medienvielfalt (Gase, Dämpfe, Flüssigkeiten jeder Art, Säuren und Laugen), die zu beherrschenden Drücke (Vakuum bis Hochdruck) und auch die sehr unterschiedlichen Temperaturniveaus (tiefkalte Flüssiggase, kochende Säuregemische) machen die Chemie zur wohl anspruchsvollsten Anwenderbranche für Pumpen. In den großen Chemiekonzernen sind nicht selten Tausende von Pumpen im Einsatz – allein bei der BASF am Standort Ludwigshafen sind rund 50.000 Pumpen installiert, darunter etwa 35.000 Prozesspumpen.

Diese Anzahl macht deutlich, dass hier viel Strom verbraucht wird. Als Anhaltswert ist davon auszugehen, dass z. B. bei einer Pumpe mit 65 kW Antriebsleistung und 10 Jahren technischer Lebensdauer bei jährlich 4.000 Betriebsstunden über 90 % der gesamten Kosten auf die Energiekosten entfallen!

Häufige Überdimensionierung von Pumpen

Die Praxis lehrt, dass eine Vielzahl der in der Chemie installierten Aggregate aufgrund von Sicherheitszuschlägen überdimensioniert ist (Motto: ‚Eine zu große Pumpe erledigt den Job; eine zu kleine nicht’). Das liegt im Allgemeinen daran, dass zum Zeitpunkt der Bestellung einer Pumpe selten ausreichend präzise Daten für deren korrekte Auslegung vorliegen.

Die somit überdimensionierten Pumpen sind nicht nur in der Investition teurer als erforderlich, auch die Betriebskosten steigen. Nicht nur das: Weil diese Pumpen meist gedrosselt betrieben werden, leidet die Gleitringdichtung aufgrund der stärkeren Wellenbewegung – die Verfügbarkeit sinkt.

Die traditionelle Arbeitsteilung bewirkt ein Übriges: Der Planer ist normalerweise nicht für die Betriebskosten zuständig. Und der Einkauf schaut eben noch immer eher auf vordergründig günstige Beschaffungskosten. Problematisch ist zudem, dass der Betreiber beim Kauf von Anlagen kaum Einfluss auf die direkte Auswahl beispielsweise der Motoren hat. Kriterien der Erstausrüster (Original Equipment Manufacturer, OEM) wie Investitionskosten, Ersatzteil- Logistik und Zuverlässigkeit (wegen der Garantie bzw. Gewährleistungsverpflichtungen) dominieren die Wahl von Einzelkomponenten. Das ist jedoch kurzsichtig gedacht: Denn wie oben erläutert sind die Investitionskosten einer typischen Chemiepumpe nur selten entscheidend für die Lebenszykluskosten.

Möglichkeiten der Energieeinsparung

Der internationale Wettbewerb hat dazu beigetragen, dass die deutsche Chemie schon heute besonders energieeffiziente Anlagen betreibt. Weitere Beiträge für einen geringeren Energieverbrauch sind durch optimierte Systeme dennoch möglich: Die höchsten Stromspareffekte erzielt, wer das System im Ganzen verbessert und alle Komponenten auf den technologisch vorgegebenen Bedarf abstimmt.

Eine Systembetrachtung kann zu verschiedenen aufeinander abgestimmten Maßnahmen führen, wie zum Beispiel:

  • Neuentwicklung von energiegünstigen Prozessen
  • Verbesserungen des Energieverbunds bei vorhandenen Anlagen
  • weiter optimierte Abwärmenutzung
  • apparatetechnische Verbesserungen Einsatz energieeffizienter und drehzahlregelbarer Antriebe

Der Einsatz von Motoren der Hocheffizienzklasse EFF1 macht sich dabei bereits ab Betriebszeiten von 2.000 Stunden im Jahr immer bezahlt. Solche Aggregate empfehlen sich auch wegen ihrer geringen Geräuschemissionen: Das Motorengeräusch (und damit ein großer Teil des Pumpengeräusches überhaupt) wird nämlich hauptsächlich durch den Motorlüfter verursacht. EFF1-Motoren benötigen aufgrund des höheren Wirkungsgrades und der deutlich geringeren Abgabe von Verlustwärme weniger Luft zur Kühlung, so dass sie meist mit kleineren und damit leiseren Lüftern auskommen. Die geringere Wärmeabgabe schont zudem die isolierten Kupferdrähte der Statorwicklung und verlängert deren Lebensdauer. Eine niedrige Betriebstemperatur erhöht darüber hinaus die Lebensdauer der Motorlager. Auch die Standzeit der Lagerschmierung, die stark temperaturabhängig ist, profitiert davon.

Der Punkt ‚Drehzahlregelung’ ist speziell in der Chemie besonders gut umsetzbar, sind doch moderne Chemieanlagen in der Regel hoch automatisiert und mit leistungsfähigen Prozessleitsystemen ausgerüstet. Somit können auch Pumpensysteme per Bus-System eingebunden werden.

Das Anpassen an die aktuell benötigte Pumpenleistung erfolgt oft noch mit Hilfe konventioneller Stellmethoden, wie Drosselventilen oder Umgehungsleitungen (‚Bypass‘), was teilweise zu sehr hohen Energieverlusten führt. Wird die Pumpe jedoch durch eine elektronische Drehzahlverstellung an den jeweiligen Bedarf angepasst, reduziert sich die Leistungsaufnahme des Antriebes erheblich. Drehzahlgeregelte Pumpen ‚denken‘ ausgesprochen marktwirtschaftlich, berücksichtigen sie doch sozusagen Angebot und Nachfrage: Es wird nur soviel Strom abgefordert, dass die Pumpe den aktuellen Förderstrom bedienen kann – mehr nicht.

Energieeffiziente Systeme in Industrie und Gewerbe

Nicht allein bei Neuinstallationen, auch bei Altsystemen lohnt der genaue Blick auf die Pumpe und deren Arbeitsumgebung: Energieeinsparpotentiale von 20 bis 30 %, zum Teil sogar bis 50 %, sind möglich. Daher hat die Deutsche Energie-Agentur GmbH (dena) gemeinsam mit den Fachverbänden Pumpen + Systeme sowie Kompressoren, Druckluft und Vakuumtechnik des VDMA die Kampagne ‚Energieeffiziente Systeme in Industrie und Gewerbe’ initiiert. Unter Beteiligung von Industriepartnern (siehe Infokasten) wurde eine Struktur aufgebaut, um industrielle und gewerbliche Betreibern dabei zu unterstützen, ihre Pumpensysteme hinsichtlich des Energieverbrauchs zu analysieren und zu optimieren. Neben Informations- und Qualifizierungsangeboten gehört ein praxisorientiertes, kostenloses Energieberatungsangebot für Unternehmen zu den wichtigen Modulen der Kampagne. Ziel ist es, positive Beispiele aufzuzeigen und damit weitere Unternehmen zur Nachahmung zu motivieren. Dabei wird in mehereren Stufen vorgegangen:

(1) Basis des Beratungsangebotes ist eine kostenlose Initialberatung, die eine eintägige Vor-Ort-Begehung mit der Analyse zentraler Daten und einen schriftlicher Kurzbericht vorsieht – hier geht es um die Analyse der vorhandenen Pumpensysteme beim Anwender und das Aufzeigen von Ansatzpunkten für Effizienzverbesserungen.

(2) Zweiter Schritt ist die vertiefende Energieanalyse mit einer detaillierten Untersuchung der Pumpensysteme über einen längeren Betriebszeitraum. Besonders wichtig ist dabei ist das Erstellen eines Lastprofils. Darauf aufbauend wird gemeinsam mit dem Anwender ein Maßnahmenkatalog erarbeitet, um Energieeffizienzpotenziale zu erschließen.

(3) Dritter Schritt ist die Umsetzungsberatung, die u.a. Hilfen zur Planung der Finanzierung möglicher Effizienzmaßnahmen bietet.

Energieeffizienzmaßnahmen rechnen sich

Der Nutzen von Effizienzmaßnahmen ist offensichtlich: Ein geringerer Energieverbrauch und damit sinkende Kosten. Entsprechende Maßnahmen weisen überwiegend kurze Amortisationszeiten und hohe Kapitalverzinsungen auf. Darüber hinaus sind die Standzeiten energieoptimierter Pumpensysteme höher und die Anlagen sind besser verfügbar (denn ein niedrigeres Drehzahlniveau bedeutet: Mechanische Komponenten wie Welle, Lager und Dichtungen werden weniger beansprucht). Die Wartungskosten reduzieren sich im Normalfall ebenfalls.

Grundsätzlich ist zu unterscheiden zwischen nicht-investiven und investiven Maßnahmen. Eine Optimierung der Anlagenfahrweise kann beispielsweise eine relevante Kostensenkung bewirken, ohne dass finanzielle Aufwendungen notwendig werden.

Klar ist: Die Anschaffung von Energiesparmotoren bzw. einer Drehzahlanpassung ist zunächst einmal eine Investition. Klar ist aber auch: Geringere Betriebskosten und der maschinenschonende Umgang der Anlagen durch die Optimierung des Gesamtsystems in Verbindung mit Einsatz von Energiesparmotoren und/ oder Frequenzumrichtern sorgen für eine Amortisation oft schon nach wenigen Monaten – während die Anlage über die gesamte Lebensdauer weiter spart.

Wasserstoff für die Prozessindustrie

News & Hintergrundberichte

CHEMonitor

Meinungsbarometer für die Chemieindustrie

> Zur Registrierung

> CHEMonitor - Alle Ausgaben

Social Media

LinkedIn | Twitter | Xing

Wasserstoff für die Prozessindustrie

News & Hintergrundberichte

CHEMonitor

Meinungsbarometer für die Chemieindustrie

> Zur Registrierung

> CHEMonitor - Alle Ausgaben

Social Media

LinkedIn | Twitter | Xing