Pumpen und Nachhaltigkeit effizient in Energie- und

Material-Verbrauch Hannover Messe 2015, 16. April 2015 Thomas Merkle Schmalenberger GmbH + Co. KG

...IE 3, IE 4……. IE 10 ?

Energieeffizienz Materialeffizienz

Effiziente Pumpen sparen Kosten und Material

Ressource Energie….

Nachhaltigkeit bei Pumpen

Ressource Energie …..…

1) Quelle: Die Welt in Zahlen, 2010 2) Quelle: BP Statistical Review of World Energy 2011

Wir verbrauchen pro Jahr die Menge an fossilen Energieträgern, die die Erde in einer Million Jahre gebildet hat 2025 leben voraussichtlich zwei Drittel der Menschen in Regionen, die von Wassermangel betroffen sind, 1) Bis 2050 wird sich unser Energiebedarf verdoppeln, 2)

Ressourcen-Nutzung begrenzt Wachstum

Ressource Material ……

Sonstiges 12,9 %

Handelsware 11,0 %

Personal 17,8 % Energie 2,1 %

Material 45,4 %

Quelle: Statistisches Bundesamt

Kostenstruktur im produzierenden Gewerbe

Dienstleistungen 1,6 %

Miete, Pacht 1,3 %

Kostensteuern 3,1 %

Lohnarbeiten 2,2 % Abschreibungen 2,6 %

Anschaffungskosten: 10 % sonstige Kosten: 10 %

Instandhaltungs-kosten: 35 % Energiekosten: 45 %

Aufteilung beim Betrieb von Pumpen

Kosten

ErP-Richtlinie der Europäischen Union Ökodesign-Richtlinie

ErP – Energy-related Products = energieverbrauchsrelevante Produkte

Umsetzung der Klimaschutz-Ziele bis zum

Jahre 2020 20-20-20-Ziele (bezogen auf 2005) 20 % weniger Treibhausgasemissionen 20 % Anteil an Erneuerbaren Energien 20 % mehr Energieeffizienz

Vorschriften zur Energieeinsparung

ErP-Richtlinie der Europäischen Union Ökodesign-Richtlinie

Dazugehörige Verordnungen Richtlinie 2009/125/EG vom 21.10.2009 übergeordnete Richtlinie – umweltgerechte Gestaltung einzelner Produktgruppen Verordnung (EG) 640/2009 vom 22.07.2009 Elektromotoren (IE2, IE3, IE4) Verordnung (EG) 641/2009 v. 22.07.2009/622/2012 v. 11.07.12 Nassläufer-Umwälzpumpen (Heizungspumpen) Verordnung (EU) 547/2012 vom 25.06.2012 Wasserpumpen Verordnungen in Vorbereitung: Lot 28 und Lot Abwasserpumpen , Schwimmbadpumpen

Energie-Effizienz Norm IEC 60034-30 Zeitplan / Europa - 50Hz EU-Verordnung Nr.640/2009

Anforderung Hinweise

Phase 1: Ab dem 16. Juni 2011

Die Motoren müssen die Wirkungsgradklasse IE2 erfüllen.

IE2 / hoher Wirkungsgrad - vergleichbar mit EFF1 (früher)

Phase 2: Ab dem 1. Januar 2015

Motoren mit einer Nennleistung von 7,5 bis 375 kW müssen ENTWEDER die Wirkungsgradklasse IE3 ODER, wenn sie mit einem drehzahlgeregelten Antrieb ausgestattet sind, IE2 erfüllen.

IE3 / Premium-Wirkungsgrad - von der Klasse IE2 abgeleitet mit ca.15% geringeren Verlusten

Phase 3: Ab dem 1. Januar 2017

Motoren mit einer Nennleistung von 0,75 bis 375 kW müssen ENTWEDER die Wirkungsgradklasse IE3 ODER, wenn sie mit einem drehzahlgeregelten Antrieb ausgestattet sind, IE2 erfüllen.

Ökodesign-Richtlinie für Wasserpumpen

Es wurde ein Mindesteffizienzindex MEI definiert. Wert C (ist Konstante, abhängig

von Wasserpumpenart) spezifische Drehzahl ns Förderstrom Q X= ln (ns) Y = ln(Q) ηBEP = Wirkungsgrad (Optimalpunkt)

ηBEP

BEP = Best Efficiency Point

Verordnung der Europäischen Kommission - Richtlinie für Wasserpumpen

1. Energieoptimierte Motoren: 10 % 2. Elektronische Drehzahlregelung: 30 % 3. Mechanische Systemoptimierung: 60 %

Optimierungsmöglichkeiten Energie- und CO2-Einsparung

Energie-Effizienz

Industrie 4.0

…..Vernetzung von Maschinen und Geräten..…

Systemoptimierung

Von Industrie 1.0 zu Industrie 4.0 Industrie 4.0

Fertigungsprozesse - von der Entwicklung über die Produktion bis zum Vertrieb und dem Kundendienst - werden über das Internet gesteuert

Koordinierung und Umsetzung von Industrie 4.0: Zusammenschluss der Industrieverbände VDMA (Maschinenbau), ZVEI (Elektro), BITKOM (IT)

Zukunftsprojekt und High-Tech-Strategie der Bundesregierung, im Ausland als CPS (Cyber-Physical Systems) bekannt

Planung begann 2013, Umsetzung bis 2020 / 2030

Neuorganisation von Fabriken

Flexibilisierung der Produktion mit dem Ziel der wirtschaftlichen Fertigung sehr vieler Produktvarianten bis hin zur Losgröße 1

Produktivitätssteigerung bis zu 30% erwartet Produktionsgestaltung: sicherer, ressourcensparend, zuverlässiger

Industrie 4.0

Kommunikationsfähigkeit der Pumpe Steuerbefehle zur Pumpe Zustandsmeldung und Prozessdaten von der Pumpe

Frequenzumrichter als Empfangs- und Sendeeinheit Zustands- und Prozessdatenerfassung über Sensorik rund

um die Pumpe wie Temperatur, Lagerüberwachung, Trockenlaufschutz

Ferndiagnose: Zustand der Pumpe Zeitpunkt für Wartungs- und Serviceintervalle rückmelden Aktuellen Energieverbrauch rückmelden

Industrie 4.0 Wie kann die „Pumpe der Zukunft“ ausgestattet sein:

Neue Pumpenkonzepte “kommunizierende Pumpe“ Systemoptimierung (Anlagenintegration) Sicherung der Verfügbarkeit der Pumpe

(Überwachung – Monitoring) Wirkungsgradoptimierung der

Pumpensysteme (Hydraulik + Motor) Werkstoffoptimierung (u.a. Beschichtungen)

Neue Pumpenkonzepte Tauchpumpe für Behälter

Feststoff-Partikel werden „mitgepumpt“

Spezialpumpe mit Schneidwerk Einsparmaßnahme: Feststoff-Zerkleinerer nicht

notwendig Energie- und Material-Einsparung

Rührwerke

Neue Pumpenkonzepte

Anwendung:Misch- und Vermengungs- prozesse, u.a. Biomasse

IE3-Asynchron-Motoren trockenlauffähige Gleitringdichtung Modularität, n= 200 - 1500 1/min Einbau: vertikal, horizontal reibungsarme Gleitlager, PTFE

Getriebemotor

Neue Pumpenkonzepte Asynchron-Motor mit integriertem Frequenzumrichter

Umrichter axial zum Motor auf

Welle gebaut Energiespar-Funktion Betriebsdaten-Erfassung Netzausfall – Daten-

sicherung bis zu 6 h Feldbusanbindung: RS 485

CAN Open, ProfiNet, ProfiBus

Pumpen für Brennstoffzellen Spezialpumpe aus Kunststoff

(PVDF, PPS, PP, u.a.) De-ionisiertes Wasser als Kühlmittelpumpe und zur

Prozessdosierung einsetzbar 24 V, DC; ab 10 W Integrierte Drehzahl-Regelung,

0-100 % Lebensdauer des Gleichstrom-

motors:mind.20 000 Betriebsstunden

Neue Pumpenkonzepte

Betrachtung „Gesamtsystem Pumpe“

1.) Hydraulik: Laufrad, Spiralgehäuse, Druckdeckel Axialschubentlastung Spaltverluste Gute Auswuchtung des Laufrades

2.) Motoren: Asynchronmotoren Synchronmotoren EC-Motoren

3.) Zusätzliche Komponenten: Dichtungen, Kugellager

Steigerung des Systemwirkungsgrads der Kreiselpumpe

Wirkungsgradoptimierung der Pumpe Optimierung von Geometrie und Oberfläche Laufrad, Spiralgehäuse, Druckdeckel

Reduzierung der Spaltverluste Optimierung Auswuchtung Energiesparende elektrische Antriebe Einsatz von Frequenzumrichtern Reibungsarme Kugellager Verschiedene Motor-Konzepte

Wirkungsgradoptimierung der Pumpe

Außenring

Käfig

Schmierstoff

Deck-/ Dichtscheibe Kugel

Innenring

Kugellager mit reduziertem Reibmoment Reibungsarme Rillenkugellager

30 % weniger Reibungs- moment als Standard-Kugellager

geringere Wärmeentwicklung im Lager

Reibungsarmes Schmierfett Verlustleistung wird erzeugt durch:

Abdichtung, Fett, Befüllungsgrad Käfigwerkstoff, Kugelmaterial und

Kugelmasse Ringmaterial, Größe der Kugellager

Werkstoffoptimierung Reduzierung von Verschleiß Verbesserte Stähle /Edelstähle Beschichtungen aus Kunststoff (PTFE, ETFE,

PFA ……) Oberflächenvergütungen auf Stahl Harte Schichten: Keramik, Diamant,

Plasmanitrieren MMC - Faserverbundwerkstoffe in Metall

Werkstoffoptimierung Neue Werkstoffe - MMCs

MMC = Metal Matrix Composites = Faserverbundwerk-stoffe in Metall Eisen Kobalt Aluminium Titan Wolframkarbid Siliziumkarbid …………… ……………

Quelle, Grafik: IMWF, Uni Stuttgart

Untersuchungen zur Oberflächenoptimierung zeigten: Laufrad: Wirkungsgradverbesserung ca. 2 % durch Keramikbeschichtung Spiralgehäuse: Wirkungsgrad um ca. 7% erhöht durch Keramik- beschichtung

Oberflächenoptimierung

Harte Schichten Material E-Modul

[N/mm²] Härte [HV]

Grauguss (GG), ohne Schicht 100 000 210 GG + Nitrocarburieren 110 000 600 – 660 GG + Plasmanitrieren 110 000 1160 – 1200 GG + Laserauftragsschweißen 210 000 900 GG + ta-C (Kohlenstoffschicht), Diamor 300 000 4 500 GG + chemisch- Nickel- Dispersions-schicht mit Diamantpartikel

145 000 2 600

Betrachtung der Gesamtanlage Pumpe im System - Zustandsüberwachung von Pumpe

und Gesamt-System Vorausschauende Instandhaltung Zustandsorientierte Regelung Energieverbrauch Temperatur Druck Störung Wartungsbedarf

Betriebspunkt

Anlagenkennlinie

Strömungsverluste in Rohrleitungen

Simulation

Drossel-Regelung Drehzahl-Regelung Energie-Effizienz

Energie-Effizienz Vor der Optimierung Nach der Optimierung

Regelung: Bypass + Drossel-Ventil Frequenzumrichter

Überdimensionierte Pumpen (27 Systeme)

Energieeffiziente Pumpen/-Motoren

Stromverbrauch: 2 305 000 kWh Stromverbrauch: 1 678 530 kWh

Investition: 111 530,- €

Stromkosten: 276 600,- € Stromkosten: 201 424,- €

Senkung des Stromverbrauchs: 626 470 kWh/Jahr

Kostensenkung: 75 180,- €/Jahr (bei Stromkosten von 12 cent/kWh)

CO2 - Reduzierung: 400 t/Jahr (bei deutschem Strom-Mix: 633 g CO2/kWh)

Amortisationszeit: ca. 1,5 Jahre Quelle: dena

Effizienter Materialeinsatz Mechanische Systemoptimierung Optimierung durch Strömungssimulation Lange Lebensdauer durch Beschichtungen und

Einsätze (inserts) Elektronische Drehzahlregelung / Energieeinsparung Energieoptimierte Motoren (EC, IE3, IE4) Kommunizierende Pumpe Sicherung der Verfügbarkeit: Monitoring-Systeme

Zusammenfassung

Fachbuchhinweise

ISBN: 978-3-8169-3126-3 April 2012, D-Renningen

ISBN: 978-0-444-63366-8 PUB DATE: July 2014, Waltham, USA

Pumpen der Zukunft….…. …..nachhaltig in Herstellung und

Betrieb

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit