Anwendungsbezogene Planungsunterlagen für Pumpen als

Turbinen

- 2 -

Inhalt

1 Erstellung der Planungsunterlagen............................................................................... 3

2 Wirtschaftlichkeit ............................................................................................................ 4

3 Einsatzbereiche Pumpen als Turbinen.......................................................................... 5

4 Planung einer PAT-Anlage ............................................................................................. 6

4.1 Produkte ........................................................................................................................ 7

4.2 Betrachtung sicherheitsrelevanter Aspekte ................................................................... 8

5 Betrieb einer PAT-Anlage ............................................................................................... 9

5.1 Konstante Drehzahl (z. B. mit einem Asynchronmotor als Generator)........................... 9

5.2 Variable Drehzahl ........................................................................................................ 11

5.3 Steuerung über mehrere parallelbetriebene PAT´s mit konstanter Drehzahl............... 11

5.4 Direkte Koppelung mit einer Arbeitsmaschine ............................................................. 12

6 Subventionen ................................................................................................................ 13

6.1 Deutschland................................................................................................................. 13

6.2 Österreich.................................................................................................................... 14

6.3 Schweiz ....................................................................................................................... 15

8 Referenzliste.................................................................................................................. 18

9 Anfrage Datenblatt ........................................................................................................ 19

- 3 -

1 Erstellung der Planungsunterlagen

Schon seit mehr als 35 Jahren bekommt KSB Anfragen und Aufträge für rückwärtslaufende Pumpen. Eine neue Marktstudie hat gezeigt, dass es aufgrund von politischen Beschlüssen wie dem Kyoto Protokoll und steigenden Energiepreisen einen wachsenden Bedarf an alternativen und erneuerbaren Energiequellen in allen Marktsegmenten gibt. Man geht davon aus, dass es allein in Deutschland ein Potential für Pumpen als Turbinen (PAT) von ca. 100 – 250 MW installierter elektrischer Leistung gibt. Ein Großteil des Potentials wird derzeit zum Beispiel in Wassertransportsystemen oder in Industrieanlagen über Drosselorgane vernichtet, wobei es technisch sehr einfach und wirtschaftlich äußerst rentabel ist dieses Potential mittels einer PAT zu nutzen.

Warum lohnt der Einsatz einer PAT?

• schnelle Amortisation der Investitionskosten, da:

o die Investitionskosten aufgrund der Serienfertigung sehr gering sind,

o die Wirkungsgrade, und damit auch die Einnahmen aus dem erzeugten Strom, im Optimum sehr gut sind.

• niedrige Lebenszykluskosten, da:

o die Wartungs- und Instandhaltungskosten sehr gering sind.

Es zeigt sich, dass das Interesse an regenerativen Energien aufgrund des gestiegenen ökologischen Verantwortungsbewusstseins und der Tatsache, dass die Erzeugung sehr rentabel sein kann, groß geworden ist.

- 4 -

2 Wirtschaftlichkeit

Um vorab abzuschätzen, wie viel Leistung in einer PAT–Anlage gewonnen werden kann, kann man die Leistung P in kW mit folgender stark vereinfachten Formel abschätzen:

HQ7P ⋅⋅≈

Diese Leistung kann man entweder eigenen Verbrauchern, die teuren Strom aus dem Netz entnehmen zur Verfügung stellen und somit die hohen Stromkosten stark reduzieren, oder diese Leistung in Netz einspeisen und die entsprechende Rückspeisevergütung erhalten.

Um die daraus resultierenden Jahreseinnahmen zu ermitteln multipliziert man diese Leistung mit den Betriebsstunden pro Jahr und der Rückspeisevergütung, die in vielen Ländern gesetzlich geregelt ist (vgl. Kapitel 7).

vergütungRückspeiseundenBetriebsstPahmenJahreseinn ⋅⋅=

Auf Grund der geringen Investitionskosten und der hohen Energiepreise amortisiert sich eine PAT-Anlage meist schon in den ersten Jahren.

Mit: P [kW] Leistung Q [m³/s] Durchfluss H [m] Fallhöhe

Prozesswirkungsgrad (ca. 70 %), Erdbeschleu-nigung und Dichte sind berücksichtigt.

Mit: Jahreseinnahmen [€/a] P [kW] Leistung Betriebsstunden [h/a] Betriebsstunden pro Jahr Rückspeisevergütung [€/kWh]

- 5 -

3 Einsatzbereiche Pumpen als Turbinen

Pumpen als Turbine (PAT) kommen überall dort zum Einsatz, wo Druckdifferenzen (z.B. Fallhöhe) und Durchflussmengen in einer Anlage ausgenutzt werden können. Unsere Pumpen bieten eine technisch einfache und wirtschaftlich sehr günstige Möglichkeit zur Erzeugung und Rückgewinnung von Energie. Deshalb eignet sich der Einsatz von PAT insbesondere dort, wo die hohen Investitionskosten einer herkömmlichen Turbine die Energiegewinnung unwirtschaftlich machen.

Aufgrund der breiten Palette unserer KSB-Serienpumpen sind PAT-Anlagen fast überall im Einsatz:

• Industrieanlagen (als Ersatz für Drosseleinrichtungen nahezu jeder Art)

• Wassertransportsysteme (vor der Einspeisung in Wasserbehälter)

• kleine Wasserkraftanlagen

• Schleusen mit geringerer Fallhöhe und großen Durchflussmengen

• chemische und petrochemische Prozesse (z. B. Gaswäscheanlagen)

• Grundablässe von Talsperren

• Ölversorgungssysteme

• Umkehrosmose

Es besteht sowohl die Möglichkeit, den erzeugten Strom ins öffentliche Netz einzuspeisen (Netzbetrieb) als auch eigenen Verbrauchern vor Ort zur Verfügung zu stellen (Inselbetrieb). Des Weiteren ist es möglich eine PAT direkt mit einer Arbeitsmaschine zu koppeln und somit deren Antrieb zu entlasten, oder komplett zu ersetzen.

So ist insbesondere der Einsatz einer PAT dort interessant, wo teurer Strom aus dem Netz entnommen wird um Arbeitsmaschinen anzutreiben, statt diese Energie zum Beispiel an Stelle eines Drosselorgans über eine PAT zu generieren. So ist es möglich, die Stromkosten deutlich zu reduzieren.

- 6 -

4 Planung einer PAT-Anlage

Abbildung 1 Prinzip einer PAT-Anlage

Um eine PAT-Anlage, wie in Abbildung 1 prinzipiell dargestellt, zu planen, sollte sowohl die zeitliche Verteilung des Durchflusses als auch der Fallhöhe bekannt sein. Aus diesen Daten ist es möglich die effektivste und wirtschaftlich günstigste PAT-Anlage zu dimensionieren. Bei der Planung ist vorzugsweise folgendes zu beachten:

• Auslegung der PAT durch Ihren KSB Ansprechpartner

• Erstellung eines Anlagenkonzeptes (Elektrik, Elektronik, Mechanik)

• Elektronische und mechanische Einbindung der PAT in das Anlagenkonzept

FFoorreebbaayy

PPeennssttoocckk

PPAATT

HHeeaadd

TTaaiill rraaccee

- 7 -

Hierbei ist unbedingt auf die Betriebssicherheit der PAT-Anlage zu achten! Vergleichen Sie hierzu bitte Kapitel 4.2.

4.1 Produkte

Da es ein nahezu lückenloses Spektrum an Pumpen für praktisch alle denkbaren Förderverhältnisse und Einbauarten gibt, findet man umgekehrt auch für die meisten Anwendungen der Energiegewinnung das optimale serienmäßig hergestellte Aggregat im Turbinenbetrieb. Um eine grobe Vorauswahl zu treffen ist in der folgenden Abbildung 2 das Pumpe als Turbine Raster dargestellt.

Abbildung 2 Pumpe als Turbine-Raster

- 8 -

4.2 Betrachtung sicherheitsrelevanter Aspekte

Es ist darauf zu achten, dass die PAT in jedem Fall im betriebssicheren Bereich arbeitet. Um dies zu gewährleisten muss bereits bei der Auswahl der Pumpe darauf geachtet werden, dass sie den höheren Belastungen im Turbinenbetrieb standhält und alle rotierenden Teile drehrichtungsunabhängig ausgeführt sind.

Im Falle eines Lastabwurfs (z.B. Stromausfall im Netzbetrieb) dreht die Turbine auf Durchgangsdrehzahl. Es muss immer untersucht werden, ob und wie lange das Gesamtaggregat (PAT und Generator) diese Durchgangsdrehzahl ertragen kann. Sollte dies nicht zulässig sein, müssen Sicherheitsmaßnahmen getroffen werden.

Des Weiteren werden anlagenspezifisch u.a. Punkte, wie die Druckstoßentwicklung und die Kavitationsanfälligkeit berücksichtigt.

Druckstöße treten immer dann auf, wenn Durchflüsse beispielsweise durch Schließen eines Schiebers oder durch Hochdrehen des Laufrades bei Netzausfall verändert werden. Wir empfehlen deshalb eine Berechnung der Druckstoßgefährdung.

Unter Kavitation versteht man die Dampfblasenbildung, welche eintritt, wenn der Druck unter den Dampfdruck des Fluids abfällt. Um Kavitation auszuschließen, wobei diese bei PAT-Anlagen nur selten auftritt, ist es wichtig, die Druckverhältnisse in der Anlage zu untersuchen. Aspekte wie die chemische Zusammensetzung und die Temperatur des Mediums spielen dabei und auch bei der Auswahl der PAT eine Rolle.

Bitte sprechen Sie dazu unsere Experten an.

- 9 -

5 Betrieb einer PAT-Anlage

Um die PAT-Anlage für fast jede Kombination und Schwankung von Durchfluss und Fallhöhe so wirtschaftlich wie möglich zu gestalten, hat man drei Möglichkeiten der Anpassung an den Betriebspunkt, wobei vorab geklärt werden muss, ob die PAT-Anlage im Netz- oder im Inselbetrieb arbeiten soll. Im Netzbetrieb wird der erzeugte Strom in ein bereits vorhandenes Netz eingespeist, wohingegen im Inselbetrieb der Strom direkt mit einer Frequenz von 50 bzw. 60 Hz Verbrauchern zur Verfügung stehen muss.

5.1 Konstante Drehzahl (z. B. mit einem Asynchronmotor als Generator)

Im Betrieb mit konstanter Drehzahl kann die PAT nur für einen bestimmten Volumenstrom und einer bestimmten Fallhöhe ausgelegt werden. Andere Zustände müssen durch zusätzliche Drosselorgane bzw. einem Bypass eingestellt werden. Durch diese Anpassung geht ein Teil des Energiepotentials verloren, dafür ist die Anlage technisch sehr einfach, leicht beherrschbar und vor allem sehr preiswert. Die Drehzahl wird über das vorhandene Stromnetz gehalten, daher eignet sich diese Variante nicht für den Inselbetrieb. In Abbildung 3 ist das hydraulische Anlageschema und in Abbildung 4 das entsprechende elektrische Schema einer PAT-Anlage mit konstanter Drehzahl dargestellt.

Abbildung 3 Hydraulisches Schema einer PAT-Anlage

- 10 -

Für die Planung sind in der folgenden Tabelle 1 die benötigten Komponenten aufgeführt:

Tabelle 1 Benötigte Komponenten einer PAT-Anlage:

Durchflussmessung Induktiver Durchflussmesser, Ultraschall Durchflussmesser

Regelarmatur Ringkolbenventil, Membranventil

Schnellöffnendes Regelventil

Ringkolbenventil, Membranventil

Absperrarmatur Klappe, Kugelhahn, Schieber z.B. Isoria (KSB Produkt)

An-, Abfahrarmatur Klappe, Kugelhahn, Schieber z.B. Isoria, Boa (KSB Produkte)

Druckmessstelle Druckaufnehmer

Abbildung 4 Elektrisches Schema einer PAT mit konstanter Drehzahl

- 11 -

Es besteht weiterhin die Möglichkeit, statt eines Asynchronmotors als Generator einen Synchrongenerator einzusetzen, wobei in diesem Fall wahlweise die Wirtschaftlichkeit zu prüfen ist. Im Inselbetrieb ist der Einsatz eines Synchrongenerators oft sinnvoll.

5.2 Variable Drehzahl

Grundgedanke bei variablen Drehzahlen ist es, das vorhandene Energiepotential ohne weitere Drosselung vollständig zu nutzen, wofür man folgende Möglichkeiten hat:

1.) Rückspeisefähiger Frequenzumrichter

Eine Möglichkeit besteht darin, einen rückspeisefähigen Frequenzumrichter einzusetzen, wobei dieser in Verbindung mit einem Drehstrom – Normmotor eine kostengünstige Lösung darstellt, die es ermöglicht auch weitere Drehzahlbereiche der PAT in Verbindung mit der Anlage zu nutzen. Es ist zu beachten, dass Frequenzumrichter nicht im Inselbetrieb einsetzbar sind.

2.) Regelgetriebe

Regelgetriebe sind eine weitere Option für eine Drehzahlanpassung, wobei bei dieser Variante die Wirtschaftlichkeit zu prüfen ist.

5.3 Steuerung über mehrere parallelbetriebene PAT´s mit konstanter Drehzahl

Eine gute Möglichkeit das bei stark schwankenden Durchflüssen vorhandene Energiepotential optimal auszunutzen ist es den Volumenstrom in einer Kaskadenschaltung, wie in Abbildung 5 dargestellt auf mehrere PAT`s aufzuteilen.

- 12 -

Abbildung 5 vier von acht parallel betriebene PAT des Zweckverbandes Landeswasserversorgung, Stuttgart

5.4 Direkte Koppelung mit einer Arbeitsmaschine

Möchte man eine Arbeitsmaschine direkt antreiben oder deren Kraftmaschine entlasten hat man die Möglichkeit die PAT mit einer durchgehenden Welle evtl. über ein Getriebe an die Arbeitsmaschine zu koppeln.

Es besteht weiterhin die Möglichkeit Mischformen der vorstehend genannten Anpassungen an den gewünschten einzusetzen.

- 13 -

6 Subventionen

6.1 Deutschland

Der Bundestag hat Ende 2008 das seit 01. Januar 2009 in Kraft getretene EEG 2009 beschlossen, wonach Neuanlagen, die ab 2009 in Betrieb gehen, die in Tabelle 2 angegebenen garantierten Vergütungen in Cent/kWh erhalten. Je nach Anwendungsfall ist zu prüfen, ob das Potential den im EEG festgeschriebenen Kriterien für erneuerbare Energien genügt.

Tabelle 2 Einspeisevergütung für Neuanlagen bis 5 MW:

Leistungsanteil EEG 2009 (Bundestagsbeschluss

vom 06.06.2008) [Cent/kWh]

Bis 500 kW 12,67

500 kW bis 2 MW 8,65

2 MW bis 5 MW 7,65

Der komplette Vergleich der EEG-Vergütungsregelung für 2009 ist unter

http://www.umweltministerium.de/files/pdfs/allgemein/application/pdf/eeg_verguetungsregelungen.pdf

verfügbar.

Weitere Informationen zum Erneuerbare Energien Gesetz erhalten Sie auf der Internet-präsenz des Bundesministeriums für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit.

http://www.umweltministerium.de

- 14 -

6.2 Österreich

In Österreich wird der Einspeisetarif über die Ökostromverordnung 2009 geregelt, wonach seit 1. Januar 2009 neue oder revitalisierte Anlagen, bei denen das über ein Jahr gesehene Regelarbeitsvermögen um mehr als 50% gesteigert wurde, mit den in Tabelle 3 angegebenen Einspeisevergütungen bedacht werden:

Tabelle 3 Einspeisetarife gemäß der Ökostromverordnung 2009 für revitalisierte Anlagen in Österreich, deren Regelarbeitsvermögen um mindestens 50% erhöht wurde:

Vergütung [Cent/kWh]

Für die 1. GWh 6,23

Für die nächsten 4 GWh 4,99

Für die nächsten 10 GWh 4,15

Für die nächsten 10 GWh 3,92

Für die das Ausmaß von 25 GWh übersteigende Strommenge

3,76

Für revitalisierte Anlagen, die eine Steigerung des Regelarbeitsvermögens um mindestens 15% erreichen sieht die Ökostromverordnung 2009 die leicht verringerten Tarife laut Tabelle 4 vor:

Tabelle 4 Einspeisetarife gemäß der Ökostromverordnung 2009 für revitalisierte Anlagen in Österreich, deren Regelarbeitsvermögen um mindestens 15% erhöht wurde:

Vergütung [Cent/kWh]

Für die 1. GWh 5,94

Für die nächsten 4 GWh 4,56

Für die nächsten 10 GWh 3,79

Für die nächsten 10 GWh 3,42

Für die das Ausmaß von 25 GWh übersteigende Strommenge

3,29

- 15 -

Daran geknüft sind laut Ökostromverordnung die Bedingungen, dass die Anlage bis 31. Dezember 2009 in Betrieb geht und die Erhöhung des Regelarbeitsvermögens durch ein Gutachten eines Ziviltechnikers nachgewiesen wird.

Weitere Informationen zur Regelung in Österreich erhalten Sie unter

http://www.oem-ag.at

6.3 Schweiz

Das revidierte Energiegesetz der Schweiz enthält ein Paket von Maßnahmen zur Förderung der erneuerbaren Energien sowie zur Förderung der Effizienz im Elektrizitätsbereich. Hauptpfeiler ist dabei die Kostendeckende Einspeisevergütung (KEV) für Strom aus erneuerbaren Energien.

Die zu erwartende Einspeisevergütung setzt sich nach der Energieverordnung (EnV) des Schweizer Bundesrates grundsätzlich aus drei Bestandteilen zusammen. Hier folgend wird nur ein Einblick dargestellt, für detaillierte Informationen beachten Sie bitte die angegebenen Quellen.

1.) Grundvergütung: Die für die Festlegung der Vergütung maßgebliche Leistung der Anlage ist die äquivalente Leistung. Diese entspricht dem Quotienten aus der im entsprechenden Kalenderjahr am Einspeisepunkt gemessenen Elektrizität in kWh und der Stundensumme des jeweiligen Kalenderjahres abzüglich der vollen Stunden vor Inbetriebnahme oder nach Stilllegung der Anlage. Die Höhe der Grundvergütung wird nach der äquivalenten Leistung der Anlage anteilmäßig nach folgenden in Tabelle 4 dargestellten Leistungsklassen berechnet:

Tabelle 5 Grundvergütung in der Schweiz nach Leistungsklassen:

Leistungsklasse Grundvergütung [Rp./kWh]

≤ 10 kW 26,0

≤ 50 kW 20,0

≤ 300 kW 14,5

≤ 1 MW 11,0

≤ 10 MW 7,5

- 16 -

2.) Druckstufen-Bonus: Die Höhe des Druckstufen-Bonus bestimmt sich nach der Brutto-Fallhöhe der Anlage anteilmäßig nach folgenden Fallhöhenklassen (Tabelle 5):

Tabelle 6 Druckstufen-Bonus in der Schweiz nach Fallhöhenklassen:

Fallhöhenklasse [m] Druckstufen-Bonus [Rp./kWh]

≤ 5 4,5

≤ 10 2,7

≤ 20 2,0

≤ 50 1,5

> 50 1,0

3.) Wasserbau-Bonus: Beträgt der Anteil des nach dem Stand der Technik realisierten Wasserbaus (inkl. Druckleitungen) weniger als 20 % der gesamten Investitionskosten des Projektes, so entfällt der Anspruch auf den Wasserbau- Bonus. Beträgt er mehr als 50 %, so besteht Anspruch auf den vollen Bonus. Zwischen 20 % und 50 % wird linear interpoliert. Der Bonus wird nach der äquivalenten Leistung der Anlage anteilmäßig nach Leistungsklassen berechnet. Dies wird in Tabelle 6 dargestellt, wobei Dotierwasserkraftwerke keinen Anspruch auf diesen Bonus haben.

Tabelle 7 Wasserbau-Bonus in der Schweiz nach Leistungsklassen

Leistungsklasse [kW] Wasserbau-Bonus [Rp./kWh]

≤ 10 5,5

≤ 50 4,0

≤ 300 3,0

> 300 2,5

Quelle dieser sowie weitere Informationen finden Sie unter:

Energiegesetzt: http://www.admin.ch/ch/d/sr/c730_0.html

- 17 -

Energieverordnung: http://www.admin.ch/ch/d/sr/c730_01.html

Oder allgemein unter: http://www.admin.ch

- 18 -

8 Referenzliste

Referenzen sind auf unserer Internetpräsenz unter:

http://www.ksb.de/pat

ersichtlich.

- 19 -

9 Anfrage Datenblatt

Auf unserer Internetseite finden Sie ein vorgefertigtes Anfrage Datenblatt, das Ihnen die Angabe relevanter Informationen erleichtert. Bitte schicken Sie dieses ausgefüllt an uns zurück, oder geben Sie die entsprechenden Daten elektronisch per E-Mail an uns weiter.