Grundfos bietet einen neuen Ansatz für die fehlende Abwasserklasse IE3.

Grundfos SL Abwasserpumpen in einer PUST-PumpstationGrundfos SL Abwasserpumpen in einer PUST-Pumpstation
Abwasser und IE3

Technische Analyse der IEC-Motoreffizienz-Standards bei Abwasseranwendungen

Standardnormmotoren Grundfos MG

Heutzutage machen Pumpen nicht weniger als 10 % des weltweiten Stromverbrauchs aus. Dabei ist der Stromverbrauch aller Pumpen 60 % höher als notwendig. Wenn jedes Unternehmen auf hocheffiziente Pumpensysteme umsteigen würde, könnten weltweit 4 % des gesamten Stromverbrauchs eingespart werden. Oder anders ausgedrückt: Es könnte ein Anteil eingespart werden, das vergleichbar ist mit dem Haushaltsstromverbrauch von einer Milliarde Menschen. Folglich hat die Senkung von Energiekosten durch effizientere Elektromotoren für Endverbraucher, Umweltbehörden, Regierungen und Hersteller oberste Priorität angenommen.

FOTO: Normmotoren von Grundfos (MG)

Während des letzten Jahrzehnts wurden erhebliche Anstrengungen unternommen, um die weltweit verschiedenen Prüf- und Klassifizierungsstandards sowie die entsprechenden Kennzeichnungsregelungen zu harmonisieren. Die Internationale Elektrotechnische Kommission (IEC) hat mit der NEMA, dem CEMEP, dem IEEE und anderen internationalen Organisationen zusammengearbeitet. Das Ergebnis dieser Arbeit war die Veröffentlichung zweier wichtiger Standards:

• IEC 60034-2-1 (Ausg. 1.0): Drehende elektrische Maschinen - Teil 2-1: Standardverfahren zur
Bestimmung der Verluste und der Effizienz aus Prüfungen (ausgenommen Maschinen für Schienen- und Straßenfahrzeuge, 2007). Hier sind Methoden beschrieben, die zur Bestimmung des Motorwirkungsgrades verwendet werden.

• IEC 60034-30: Drehende elektrische Maschinen - Teil 30 (Ausg. 1.0): Wirkungsgradklassen von eintourigen, dreiphasigen Motoren mit Käfigläufer (IE-Code). Sie definiert Energieklassen für Induktionsmotoren.

Grundfos SE Pumpe auf einem automatischen Kupplungsaggregat

FOTO: Grundfos SE-Abwassertauchmotorpumpe mit Kupplungsfußkrümmer für stationäre Nassaufstellung

„Es gibt zwei Wege, um den Wirkungsgrad eines Elektromotors zu bestimmen“, erklärt Mikael Nedergaard, Global Product Manager von Grundfos. „Die eine Möglichkeit ist ein direkter Test, der darauf beruht, die Aufnahmeleistung auf Basis der Spannung und des Stroms und die Abgabeleistung auf Basis der Drehzahl und des Drehmoments zu berechnen. Die andere, indirekte Methode besteht in der Messung der Aufnahmeleistung und der Berechnung der gesamten Verluste, indem die individuellen Verlustkomponenten berechnet und addiert werden. Dieser indirekte Test kann nur bei dreiphasigen Motoren angewendet werden.“

Der gegenwärtige Klassifizierungsstandard IEC60034-30 für eintourige, dreiphasige Induktionsmotoren und Motoren mit Käfigläufer legt drei Energieeffizienzklassen fest:
• IE3 – Premium Efficiency (gleichwertig mit NEMA Premium)
• IE2 – High Efficiency (gleichwertig mit NEMA Energy Efficient und der früheren CEMEP EFF1)
• IE1 – Standard Efficiency (gleichwertig mit dem früheren CEMEP EFF2)

Grundfos SL Unterwasserpumpe, 22 kW, mittlere Förderhöhe, mit integriertem Motor

FOTO: Grundfos SL-Tauchmotorpumpe, 22 kW, Mitteldruckausführung, mit integriertem Motor

Im Jahr 2014 wird der neue Norm IEC60034-30-1 die vierte Effizienzklasse festlegen - IE4 Super Premium Efficiency. Dieser Standard wird die aktuelle Norm IEC 60034-30 ersetzen.

„Die Effizienzklasse IE2 wird seit Juni 2011 von der Ökodesign-Richtlinie vorgeschrieben. Ab Januar 2015 soll in der Folge kein Motor mit einer Nennleistung von 7.5 bis 375 kW unter der Effizienzklasse IE3 liegen, bzw. nur dann der Effizienzklasse IE2 entsprechen, wenn er mit einem drehzahlgeregelten Antrieb ausgestattet ist“, erklärt Robert Bork Hansen, Global Product Specialist bei Grundfos Holding A/S. „Diese Anforderungen gelten für 2-, 4- und 6-polige, eintourige, dreiphasige Induktionsmotoren mit einer Bemessungsspannung bis zu 1000 V und mit Dauerbetrieb. Wichtig ist: Motoren, die dafür ausgelegt sind, vollständig im Medium eingetaucht zu sein und/oder vollständig in ein Endprodukt integriert zu werden und deren Energieeffizienz nicht unabhängig von diesem Produkt erfasst werden kann, zählen nicht dazu.“

Dabei muss die Frage gestellt werden, ob eine Pumpe mit integriertem Motor, die für den eingetauchten Betrieb konzipiert ist, wie z. B. eine Abwasserpumpe, mit dem Zusatz IE2- oder IE3-effizient beschrieben werden kann? Da der Motor nicht unabhängig von der Pumpe geprüft werden kann, vor allem weil es keine standardisierte Verbindung, kein festgelegtes Kühlsystem und auch keine anerkannte Prüfmethode gibt, muss die Antwort „Nein“ lauten.

„Theoretisch sollte es relativ einfach sein, den Motor einer Abwasserpumpe zu testen, da der Motor eine Welle enthält, die auf Drehmoment und Leistung geprüft werden könnte“, sagt Leo Andersen, Regionaler Programm Manager bei Grundfos. „Doch jeder Prüfvorgang bringt Probleme mit sich, z.B. bei Kühlung und Lüftung sowie Motorkühlleistung. Zwei weitere Elemente, die sich auf die Leistungsanforderungen der Motorwelle auswirken, sind Reibungsverluste der Gleitringdichtung und Lagerreibungsverluste, die durch die Nutzung von Schräglagern entstehen. Abwasserpumpen nutzen üblicherweise eine doppelte Gleitringdichtung, um Leckagen des Fördermediums in den Motor zu verhindern.“

Leo Andersen erklärt weiter: „Außerdem ist noch die Frage der Installation zu bedenken. Wird der gleiche Motor z. B. in Nass- oder Trockenaufstellung bzw. horizontal oder vertikal installiert, fällt der Wirkungsgrad unterschiedlich aus. Alles in allem sind es also alle Verluste im System, die ein eindeutig definiertes Prüfverfahren erfordern. Das wiederum setzt voraus, dass die Aufstellungsbedingungen der Anlage nachzubauen sind.“

Einzelberichte von Grundfos Kunden aus dem Abwassersegment offenbaren, dass Betriebssicherheit und größere Effizienz die wichtigsten Fragen sind, mit denen sie sich beschäftigen. Ist die Pumpe einmal installiert, wollen die Anwender sie nicht erneut anrühren; sondern sie sind bereit, ein gewisses Maß an Energieeffizienz zu opfern, wenn es dafür zu weniger Ausfällen kommt. Effizienz ist eine Frage, die jeden Pumpenanwender in der gewerblichen und kommunalen Abwassertechnik betrifft. Mit steigender Pumpenleistung gewinnt sie sogar noch an Bedeutung. Die höchste Energieeffizienz bei allen Abwasserpumpen zu bieten, stellt das Ziel von Grundfos dar.


Wenn in einer Ausschreibung verlangt wird, dass die Abwasserpumpen IE3-konform sein müssen, kann heute kein Hersteller eine solche Pumpe liefern, weil es hierzu keinen anwendbaren und aktuell gültigen Standard bezüglich der Effizienz von Abwasserpumpen mit integriertem Motor gibt.

SE-SL pump curves#

FOTO: Die Förderkennlinie der Grundfos SL/SE1.95.150.220.4.52 H Abwassertauchmotorpumpe, einschließlich der Gesamtwirkungsgradkennlinie (Eta 1). Die Eta-2-Kennlinie zeigt den hydraulischen Wirkungsgrad.

Die Grundfos-Lösung
Da es unmöglich ist, zu behaupten, dass eine Abwassertauchmotorpumpe, die einen integrierten Motor enthält, den Standard IE2 oder IE3 erfüllt, bietet Grundfos eine Lösung für das Problem der Pumpen- und Motoreffizienz.
Die Grundfos-Abwasserpumpen SE1/SEV und SL1/SLV enthalten von nun an elektrische Motorkomponenten, die aus einem IE3-Normmotor stammen, wie u.a. Rotor und Statoreinheit.

„Was den Motor der Abwasserpumpe von einem herkömmlichen IE3-Motor unterscheidet, sind die Lager, Gleitringdichtungen und das Fehlen einer Gebläsekühlung wie oben beschrieben“, erklärt Robert Bork Hansen. „Im eingetauchten Betrieb wird die Kühlung über das Fördermedium erreicht. Die Rotoren und Statoren des Grundfos IE3-Normmotors sind typgeprüft und zertifiziert in Übereinstimmung mit dem TEFC-Motorstandard. Sie werden durch Messprotokolle gestützt, sodass es sich in jeder Hinsicht um einen IE3-konformen Motor handelt. Durch das Austauschen der Lager, das Hinzufügen einer Gleitringdichtung und durch die Kühlmethode wird die IE3-Konformität des Motors jedoch aufgehoben.“

Der Hauptgrund dafür, dass bis jetzt noch kein Effizienzstandard für Abwasserpumpen eingeführt wurde, könnte die Tatsache sein, dass Hersteller, Gesetzgebung und Normungsgremien Motoren von Abwasserpumpen als getrennte Einheit ansehen und nicht als eine, in die Pumpe integrierte Einheit. Deshalb bestehen Schwierigkeiten damit, die Reibungsverluste des Motors und den Wirkungsgrad zu definieren.

Pumpenhersteller, die behaupten, dass ihre Abwasserpumpen IE3-konform sind, machen sich der Irreführung schuldig. Wenn in einer Ausschreibung verlangt wird, dass die Abwasserpumpen IE3-konform sein müssen, kann heute kein Hersteller eine solche Pumpe liefern, weil es hierzu keinen anwendbaren und aktuell gültigen Standard bezüglich der Effizienz von Abwasserpumpen mit integriertem Motor gibt.

Die verwendeten elektrischen Komponenten eines IE3-Motors in einer Abwasserpumpe liefert einige Informationen über die Effizienzklasse der gesamten Motoreinheit. Worüber indes kein genauer Aufschluss erlangt werden kann, ist ein spezifischer Wert, da sich die Reibungsverluste in einer Abwasserpumpe von denen einer Standardpumpe unterscheiden und unberücksichtigt bleiben.

„Um den höchsten Wirkungsgrad in einem Pumpensystem zu erreichen, muss die ausgewählte Pumpe über einen Wirkungsgrad-Bestpunkt verfügen, der dem Betriebspunkt entspricht“, sagt Mikael Nedergaard. „Der Wirkungsgrad-Bestpunkt hängt vor allem von den Charakteristiken der Pumpe ab; dazu gehören Leistung, Förderstrom und Förderhöhe. Es handelt sich dabei um den Punkt auf der Pumpenkennlinie, an dem die Pumpe am effizientesten arbeitet. Dabei darf nicht vergessen werden, dass der Wirkungsgrad der Pumpe deutlich abnimmt, wenn die Pumpe nicht auf dem ausgelegten Wirkungsgrad-Bestpunkt arbeitet.“

Grundfos ist der Ansicht, dass sich Hersteller, Planer und Endverbraucher nicht ausschließlich auf den Motorwirkungsgrad konzentrieren sollten, wenn über Abwasser- und Tauchmotorpumpen diskutiert wird, sondern stattdessen den Gesamtwirkungsgrad der Pumpe berücksichtigen, wie er in der ISO 9906:2012 festgelegt ist: „Leistungsabnahmeprüfung für Kreiselpumpen“ oder Standard ANSI/HI 11.6.2012: „Leistungsabnahmeprüfung für Kreiseltauchpumpen“. Genauso wichtig für den Motorwirkungsgrad ist die Pumpenhydraulik, da hier die Möglichkeiten zur Verbesserung des Pumpenwirkungsgrads weit größer sind. Solange jedoch ein geeigneter Energieeffizienzstandard für die Abwasserpumpen fehlt, ist es unvermeidlich, dass Hersteller die Anlehnung an IE3-Norm betonen. Diese Situation ist jedoch im Wandel. Europump, der Fachverband der Pumpenhersteller, diskutiert Vorschläge für einen geeigneten Pumpenstandard. Der Anstoß für die Festlegung eines angemessenen Standards kann nicht ausschließlich von den Pumpenherstellern kommen, sondern muss auch von Politik und Regulierungsstellen vorangetrieben werden.

„In den letzten Jahren wurde bereits ein Energiestandard für kleine Umwälzpumpen geschaffen. Ähnlich der Abwasser- und Unterwasserpumpen befinden sich bei Umwälzpumpen Motor und Welle in einem einzigen Gehäuse und können daher nicht separat geprüft werden“, kommentiert Mikael Nedergaard. „Wie von der EU empfohlen, besteht der Standard, der von der Europump und den Pumpenherstellern entworfen wurde, aus sieben Energiesparklassen. Der Energieeffizienzindex (EEI) einer Pumpe wird gemäß des jährlichen Lastprofils berechnet und die Pumpe wird entsprechend ihrer Energieeffizienz gekennzeichnet. Durch die Einführung einer Energieeffizienzkennzeichnung kann der Endverbraucher Produkte vergleichen und die geeignetste Pumpe für seine Installation auswählen.“

Wenn dies für Umwälzpumpen erreicht wurde, lässt sich daraus schlussfolgern, dass auch für Abwasserpumpen ein international anerkannter Energiestandard geschaffen werden kann. Da sich in der Abwasserentsorgung der Trend zu größeren und effizienteren Aufbereitungsanlagen bewegt, die größere Pumpen benötigen, werden Energiekosten immer wichtiger. Die Pumpenindustrie sowie die Regulierungsbehörden werden entsprechend reagieren müssen und in ein Prüfverfahren investieren, das den Endverbrauchern die Informationen liefert, die sie benötigen.

Artikel von Bryan Orchard

Verweise:

Grundfos Fakten zu Pumpen und Energie

Hintergund des Grundfos Blueflux® Energielabels

Internationale Elektrotechnische Kommission

Publikationen zum TC2-Arbeitsprogramm für rotierende Maschinen (14)

National Electrical Manufacturers Association (NEMA)

Europump

Richtlinie der Europump zum Pumpenwirkungsgrad von einstufigen Kreiselpumpen

Richtlinie der Europump über die Anwendung der Regelung 640/2009/EC für Elektromotoreffizienz - Mai 2011

Vorbereitende Ökodesignstudien für Pumpen (ENER Lot 28: Abwasserpumpen)





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