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C&M-6-2012 > EU-Richtlinien und ihre Auswirkungen auf den Pumpenmarkt

EU-Richtlinien und ihre Auswirkungen auf den Pumpenmarkt

Herausforderung Energieeffizienz

Die Energieeffizienz der Flüssigkeitsförderung in Anlagen und ­Prozessen liegt traditionell und mit steigender Tendenz im betriebswirtschaftlichen Interesse der Betreiber. Elektrisch angetriebene ­Pumpen tragen jedoch auch in beachtlichem Maße zu dem europa­weiten jährlichen Verbrauch an elektrischer Energie und damit indirekt zur CO2-Emission bei der Stromerzeugung bei. Daher zielt die Ökodesign-Gesetzgebung der EU nun auch auf die Steigerung der Energieeffizienz von Pumpen.

Pumpen sind Energiewandler

Pumpen sind im thermodynamischen Sinne Energie- wandler. Sie wandeln mechanische Energie, die über ihre rotierende Welle zugeführt wird, in Fluidenergie in der Form von Druck-, Geschwindigkeits- und Lage­energie einer Flüssigkeit um. Zusammen mit ihrem in der Regel elektrischen Antrieb bilden sie eine Funktionseinheit, die elektrische Energie aus dem elektrischen Versorgungsnetz in Fluidenergie wandelt. Die Güte der Energiewandlung wird als Energie- effizienz bezeichnet und in der Form von Wirkungsgraden quantifiziert.

Die prozess- und anlagenbedingt erforderlichen Werte von Volumenstrom und Förder­höhe, die von einer Pumpe zu erbringen sind, bestimmen zusammen mit der Dichte der zu fördernden Flüssigkeit die so genannte Fluidleistung. Die zur Erbringung dieser Fluidleistung erforderliche elektrische Leistung ergibt sich aus der Energieeffizienz des aus Pumpe und Antrieb bestehenden Pumpenaggregats. Die elektrische Leistung resultiert aus der Division der Fluidleistung durch den Gesamt­wirkungsgrad („wire-to-liquid-efficiency“), der sich seinerseits als Produkt aus den Wirkungsgraden der Pumpe und des elektrischen Antriebs darstellt. Daraus folgt, dass die elektrische Leistung und – multipliziert mit den Betriebsstunden – der Verbrauch an elektrischer Energie (z.B. in der Maßeinheit [kWh]) für den Betrieb der Pumpe umgekehrt proportional zu deren Wirkungsgrad sind. Dies gilt auch für den Einfluss des Antriebswirkungsgrads. Besteht der Antrieb aus einem mit konstanter Drehzahl direkt vom Stromversorgungsnetz gespeisten Elektromotor, so werden die Mindestanforderungen an dessen Wirkungsgrad in Form von IE-Klassen (z.B. IE2) bereits seit einiger Zeit durch Normung ­definiert und durch europäische ­Gesetz­gebung geregelt. Hier soll jedoch speziell die Bedeutung des Wirkungsgrads und damit der Energieeffizienz der Pumpen hervorgehoben werden. Diese ist relevant unter betriebswirtschaftlichen, energie- und umweltpolitischen Aspekten (siehe Abb. 1).

Bedeutung der Energieeffizienz

Die Auswirkungen der Energieeffizienz elektrisch angetriebener Maschinen auf die Umwelt resultieren aus der Emission von CO2 aus fossil, d.h. mit Kohle, Gas oder Öl, befeuerten Kraftwerken, die einen dem Energiemix entsprechenden Anteil zur Produktion elektrischer Energie beitragen. Die ökonomische und ökologische Relevanz soll anhand einiger Zahlen verdeutlicht werden:

// In Chemieanlagen beträgt der Anteil der Energiekosten an den gesamten Lebenszykluskosten 40% und mehr [1].

// In der Europäischen Union verbrauchen Pumpen etwa 30% der elektrischen Energie, die von allen von ­Elektromotoren angetriebenen Maschinen verbraucht wird. Als absolute Zahl waren das im Jahr 1995 ca. 52­109 kWh = 52 TWh (Quelle: EUROPUMP).

Rahmengesetzgebung auf europäischer Ebene

Die aus politischen Vorgaben resultierende Zielsetzung einer nachhaltigen Produktion und Verwendung elektrischer Energie innerhalb der Europäischen Union führte zur Verabschiedung eines gesetzgeberischen Rahmens durch die Europäische Kommission in Form der so genannten Ökodesign Richtlinien (ecodesign directives 2005/32/EC [2] und 2009/125/EC [3]). Diese sollen „zu einer nachhaltigen Entwicklung durch Verbesserung der Energieeffizienz und des Schutzes der Umwelt bei gleichzeitig besserer Sicherung der Versorgung mit Energie“ beitragen.

Vom Geltungsbereich der Richtlinie sind (außer Fahrzeugen) alle energiebetriebenen Produkte bzw. Produktgruppen (EuP, Energy using Products) erfasst,

// die europaweit ein signifikantes ­Marktvolumen besitzen,

// von denen erhebliche Umwelt­aus­wirkungen ausgehen und

// die ein hohes Potenzial bei der ­Verbesserung der Umweltverträglichkeit aufweisen.

Der Geltungsbereich wurde mittlerweile auch auf andere Produkte mit Auswirkung auf den Energieverbrauch (ErP, Energy ­related Products) wie z.B. bautechnische Produkte erweitert. In so genannten Durchführungsmaßnahmen werden produktspezifische Ökodesign-Anforderungen an ein Produkt oder eine Produktgruppe festgelegt. Es kann sich dabei z.B. um quantifizierte Anforderungen zu ausgewählten Umweltaspekten wie Limitierungen des Energie- und Ressourcenverbrauchs handeln. Diese Durchführungsmaßnahmen werden automatisch in allen Mitgliedsstaaten der EU gültig. Als Basis für den ­Erlass von Durchführungsmaßnahmen dienen Vorbereitungsstudien. Dabei wurden und werden betroffene Produkte und Produkt­gruppen in so genannten Losen („lots“) spezifiziert.

Bisher wurden (in Lot 11) Umwälzpumpen in der Gebäudetechnik sowie Kreiselpumpen bestimmter Bauarten und Nenndatenbereiche für die Reinwasserförderung erfasst. Die neuen, ebenfalls auf Pumpen abzielenden Lots 28 und 29 erweitern den Geltungsbereich u.a. auf alle nicht von Lot 11 erfassten Reinwasserpumpen sowie Abwasserpumpen und Pumpen für Fluide mit hohem Feststoffgehalt. Eine Ausdehnung des Ökodesign-Rahmens auf Pumpen anderer Ausführungen und Anwendungsgebiete, z.B. auch im Bereich der Chemie- und Verfahrungstechnik, ist zu erwarten.

Richtlinie für Kreiselpumpen

Ausgehend von durchgeführten Vorbereitungsstudien und im Informationsaustausch mit dem Dachverband der europäischen Pumpenhersteller EUROPUMP erließ die EU zwei pumpenspezifische Regulierungen mit Gesetzeskraft, die zum 01.01.2013 in Kraft treten. Die erste dieser Regulierungen betrifft Umwälzpumpen für Heizungs- und Warmwasserkreisläufe. Die zweite – und für die Chemie-, Pharma- und Lebensmittelindustrie relevantere – Richtlinie [4] gilt für Kreiselpumpen bestimmter Bauarten und Nenndatenbereiche für die Reinwasserförderung. Ausgenommen sind darin lediglich spezielle Ausführungen für die Tief- oder Hochtemperaturanwendung (< 10°C oder > 120°C), als Feuerlöschpumpen oder als selbstansaugende Pumpen.

Bewertung der Energieeffizienz

Zur Bewertung der Energieeffizienz von Kreiselpumpen dient in der Richtlinie [4] ein als MEI (Minimum Efficiency Index) ­bezeichneter Wert. Dies ist ein Dezimalwert, der immer > 0 und umso höher ist, je besser die Energieeffizienz der jeweiligen Pumpenausführung ist. Als Benchmarkwert für eine derzeit höchst erreichbare Energieeffizienz nennt die Richtlinie den Wert MEI = 0,7. Im Hinblick auf die bekannte Tatsache, dass Kreiselpumpen in der Regel nicht ausschließlich in ihrem Betriebspunkt besten Wirkungsgrads (BEP, Best Efficiency Point), arbeiten, bezieht die Definition des MEI-Werts auch mindestens erforderliche Werte des Wirkungsgrads bei je einem Teillast- und Überlastbetriebspunkt ein (vgl. Abb. 2.).

Aus dem jeweiligen MEI-Wert ergeben sich für alle im Geltungsbereich der Richtlinie [4] liegenden Pumpen die zugehörigen Wirkungsgradmindestwerte, die nach Inkrafttreten der Richtlinie von den Pumpenherstellern nachzuweisen sind, um eine Pumpenbaugröße innerhalb einer Bau­reihe als CE-konform zu qualifizieren. Anstelle der Angabe (auf dem Typenschild und in der technischen Dokumentation), wonach der jeweils gesetzlich geforderte MEI-Wert erfüllt wird, können die Pumpenhersteller auch den tatsächlichen MEI-Wert mit zwei Nachkommastellen angeben, wodurch ein Wettbewerbseffekt erzielt wird.

Die Richtlinie [4] legt fest, dass alle im Geltungsbereich liegenden Pumpen ab dem 01. Januar 2013 mindestens einen MEI-Wert von 0,1 und ab dem 01. Januar 2015 mindestens einen MEI-Wert von 0,4 aufweisen müssen. Aufgrund der nachfolgend erläuterten Zusammenhänge bedeutet dies eine Erhöhung der mindestens erforderlichen Pumpenwirkungsgrade um etwa 5 Prozentpunkte, also z.B. von 72% auf 77%. Auch regelt die Richtlinie das Verfahren für eine Überprüfung („verification“) der von Pumpenherstellern ausgewiesenen CE-Konformität im Hinblick auf die zu erfüllenden MEI-Werte durch Institutionen im Rahmen der Marktaufsicht.


Abb.1 Die Energieeffizienz der Flüssigkeitsförderung ist in mehrfacher Hinsicht relevant


Abb.2 Die Anforderungen an Mindestwerte des Pumpenwirkungsgrads bestehen in einem Betriebsbereich


Abb.3 Der mindestens erforderliche Wirkungsgrad für einen bestimmten MEI-Wert hängt noch von verschiedenen Pumpenmerkmalen ab


Abb.4 Die Einheit von Pumpe und – z.B. auch drehzahlgeregeltem –
Antrieb bildet ein „Extended Product­“

Mitwirkung der Pumpenindustrie

In die Richtlinie [4] eingeflossen sind wesentliche Ergebnisse von Aktivitäten einer innerhalb von EUROPUMP bestehenden Arbeitsgruppe zum Thema EuP/ErP. Grundlage bildete eine an der TU Darmstadt durchgeführte Vorstudie. In deren Rahmen wurden mit Unterstützung zahlreicher europäischer Pumpenhersteller für insgesamt 2400 aktuell im Markt befindliche Baugrößen der für die Richtlinie [4] relevanten Bauarten die Wirkungsgrade zusammen mit weiteren hierfür maßgebenden technischen Daten erfasst. Durch statistische Analysen dieser Datenbasis wurde die auch von der Richtlinie [4] übernommene Definition des MEI-Werts erarbeitet, wobei auch fluiddynamische Gesetzmäßigkeiten und technologische Aspekte einbezogen wurden. Daraus konnte ein mathematischer Zusammenhang entwickelt werden, der die mindestens erforderlichen Pumpenwirkungsgrade in den drei relevanten Betriebspunkten mit dem geforderten bzw. ausgewiesenen MEI-Wert verknüpft. Darin werden wesentliche prinzipielle Einflussgrößen auf den erreichbaren Wirkungsgrad wie die Pumpenbauart, der Volumenstrom im Bestpunkt QBEP sowie die spezifische Drehzahl ns berücksichtigt (vgl. Abb. 3.). Letztere ist eine bei Kreiselpumpen übliche Kenngröße, die die Laufradform und weitere strömungstechnische Merkmale charakterisiert. Somit sind Kreiselpumpen unterschiedlichster Ausführung bei jeweils gleichen MEI-Werten hinsichtlich ihrer Energieeffizienz äquivalent.

Aufgrund seines Zusammenhangs mit der erwähnten Datenbasis kommt dem jeweiligen Zahlenwert von MEI noch eine weitere wichtige Bedeutung zu. Multipliziert man den Wert mit 100, so gibt das den Prozentsatz der derzeit im Markt befindlichen Baugrößen an, die nach dem Inkrafttreten der jeweiligen MEI-Mindestwerte nach der Richtlinie [4] die Konformitätsanforderungen nicht mehr erfüllen werden und somit in Europa nicht mehr auf den Markt gebracht werden dürfen. Daraus resultieren für die Pumpenhersteller gegebenenfalls notwendig werdende Entwicklungsarbeiten und Produktions­verbesserungsmaßnahmen zur Erhöhung der Energieeffizienz entsprechender Baugrößen.

Begleitende Normung

Begleitend zu den zuvor geschilderten ­Aktivitäten wurde im Rahmen der gleichen EUROPUMP-Arbeitsgruppe auch ein Normentwurf erarbeitet. Dieser erläutert die Definition, Herkunft und Bedeutung des MEI-Werts, empfiehlt und beschreibt Methoden zu seiner Ermittlung und zum Konformitätsnachweis und gibt Informationen zur Durchführung und Auswertung entsprechender Tests und anzuwendender Toleranzen. Dieser Entwurf wurde in den zuständigen europäischen Normungs­ausschuss eingebracht und wird voraussichtlich in den ersten Monaten des Jahres 2013 als EN-Norm [5] veröffentlicht werden. Er dient dann als Referenz für die praktische Umsetzung der Richtlinie [4].

Behandlung auf Fachtagung

Die große Bedeutung der Energieeffizienz spiegelte auch das Programm der jüngst stattgefundenen „International Rotating Equipment Conference“ wider. Allein für Pumpen behandelten 6 Fachbeiträge verschiedene Aspekte dieser Thematik. Darüber hinaus bot eine gemeinsam von den Fachverbänden für Pumpen und Kompressoren getragene Podiumsdiskussion Gelegenheit zur Information über Stand und Auswirkungen der Ökodesign-Gesetzgebung für Pumpen und künftig (in Lot 31) auch für Kompressoren.

Ausblick

Wie eingangs dargestellt, wird die für das Fördern einer bestimmten Flüssigkeit benötigte elektrische Energie bei gegebenen anlagenseitigen Bedingungen nicht allein vom Pumpenwirkungsgrad bestimmt. Vielmehr bestimmt die Gesamtheit von Pumpe und elektrischem Antrieb die Energieeffizienz der Umwandlung von elektrischer in Fluidenergie. Auf Initiative von EUROPUMP erfolgt daher derzeit – in deren EuP/ErP-Arbeitsgruppe, aber auch bereits in den neuen Ökodesign-Lots für Pumpen – eine Erweiterung der Betrachtung von der Pumpe allein als „Produkt“ auf die Gesamtheit von Pumpe und elektrischem Antrieb als „erweitertes Produkt“ (Extended Product; vgl. Abb. 4.). In vielen Anlagen variiert der Volumenstrombedarf in großen Bereichen und ist zu großen Anteilen der Gesamtbetriebszeit deutlich geringer als der Maximal- und damit Auslegungswert. Damit bietet der drehzahlgeregelte Pumpenbetrieb z.B. mithilfe eines Frequenzumrichters die Möglichkeit zu einer erheblichen Verbesserung der Energieeffizienz der als „Extended Product“ behandelten Gesamteinheit. Für deren Quantifizierung und Bewertung wird dann ein als „Energie-Effizienz-Index“ (EEI) bezeichneter Wert dienen, für dessen Ermittlung derzeit Methoden und Normen erarbeitet werden.

Literatur

[1] Schächtele, K. & Schneider,S.: [2012] Pump Users International Forum, Düsseldorf, 381–391.
[2] Directive 2005/32/EC of the European Parliament and of the Council of 6 July 2005 establishing a framework for the setting of ecodesign requirements for energy-using products.
[3] Directive 2009/125/EC of the European Parliament and of the Council of 21 October 2009 establishing a framework for the setting of ecodesign requirements for energy-related products.
[4] Commission Regulation (EU) No 547/2012 implementing Directive 2009/125/EC of the European Parliament and of the Council with regard to ecodesign requirements for water pumps.
[5] Künftige Norm EN 16480: „Pumps – Minimum required efficiency of rotodynamic water pumps”.

Foto: © panthermedia | lightwise, Heike Schulz | Quelle: www.ksb.com | KSB SuPremE®

Stichwörter:
Energieeffizienz, Energiewandler, thermodynamisch, Druckenergie, Geschwindigkeitsenergie, Lageenergie, Fluidenergie, wire-to-liquid-efficiency, Chemieanlagen, Lebenszykluskosten, elektrische Energie, Kreiselpumpen, Umwälzpumpen, Tief- oder Hochtemperaturanwendung, MEI-Wert, Wirkungsgradmindestwerte, CE-konform, verification, Pumpenindustrie, EUROPUMP, Konformitätsanforderung, Kompressoren, Ökodesign-Gesetzgebung,

C&M 6 / 2012

Diese Artikel wurden veröffentlicht in Ausgabe C&M 6 / 2012.
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