Elektrische Pumpenmotoren nachhaltiger machen – Grün ist ein gutes Geschäft
Bei Pumpen für den Einsatz in der Industrie stehen meist die Materialien im Fokus, die sie bewegen, von Wasser und Abwasser, Chemikalien, Öl, Petroleum, Schlämmen und Schlämmen bis hin zu Lebensmitteln. Auch deren Kosten, Effizienz und Wartung stehen im Fokus. Die Umweltauswirkungen stehen in der Regel weit unten auf der Liste der Überlegungen, aber umweltfreundlichere und effizientere Pumpen sind auch gut fürs Geschäft. Jede Pumpe hat einen Motor; Daher ist es nicht verwunderlich, dass Pumpen für 21 % des gesamten Stromverbrauchs von Motorsystemen im Industriesektor verantwortlich sind. Eine Verringerung dieser Zahl kann Pumpen umweltfreundlicher machen und die Betriebskosten senken.
BILD 1: Lüfter- bzw. Pumpeneffizienz (Quelle: Inverterdrivesystems.com)
Das Energieproblem
Das Energieproblem ist nicht auf Pumpen beschränkt. Jeder verbraucht immer mehr Energie. Industrien wachsen, die Bevölkerung wächst und die Pumpenindustrie muss mit der Nachfrage nach Wasser, Strom, Produkten und Dienstleistungen Schritt halten. Die Statistiken der United States Environmental Protection Agency (EPA) zeigen, dass mehr als die Hälfte des in der Produktion verbrauchten Stroms für den Antrieb von Motoren verwendet wird und die US-Industrie für fast 25 % der Treibhausgasemissionen des Landes verantwortlich ist.
Der Trend spielt sich auch global ab. Laut der Internationalen Energieagentur (IEA) machen Elektromotoren und -systeme über 40 % des weltweiten Stromverbrauchs aus. Der Einsatz von Elektromotoren und -systemen wird voraussichtlich weiter zunehmen. Dadurch wird die Zahl der freigesetzten schädlichen Emissionen steigen.
Regulatorischer Fokus
Motoren erhalten von den Regulierungsbehörden mehr Aufmerksamkeit, und infolgedessen werden Pumpenhersteller betroffen sein. Die neue Ökodesign-Verordnung 2019/1781 der Europäischen Union trat am 1. Juli 2021 für Niederspannungs-Asynchronmotoren und drehzahlgeregelte Antriebe (VSD) in Kraft und verlangt von einer breiten Palette von Elektromotoren, dass sie den Premium-Effizienzstandard IE3 erfüllen. Die regulatorische Änderung erhöht die vorgeschriebenen Mindestwirkungsgrade, erweitert die Palette der abgedeckten Motoren und umfasst erstmals Frequenzumrichter.
Mit Wirkung zum 1. Juli 2023 schreibt sie höhere Effizienzstandards für einige Motorkategorien vor und hebt das Basisniveau für bestimmte Motoren auf IE4 Super-Premium-Effizienz an. Außerhalb der EU wird das Vereinigte Königreich (UK) nach dem Brexit dieselbe Verordnung übernehmen, und einige andere Länder werden wahrscheinlich diesen Grundsätzen folgen. Das Energieeffizienzniveau wird in IE-Effizienzklassen ausgedrückt, von IE1 (niedrigste) bis IE5 (höchste). Gemäß der Stromregelung müssen Motoren je nach Nennleistung und anderen Eigenschaften die Wirkungsgrade IE2, IE3 oder IE4 erreichen. So mussten Drehstrommotoren mit einer Nennleistung zwischen 0,75 Kilowatt (kW) und gleich oder unter 1.000 kW bis Juli 2021 das IE3-Level erreichen. Motoren zwischen 75 kW und 200 kW müssen bis Juli 2023 das IE4-Level erreichen .
In den USA hat das Energieministerium (DOE) kürzlich eine Vorveröffentlichungsmitteilung des Bundesregisters herausgegeben, in der eine Überprüfung geänderter Energiesparstandards für kleine Elektromotoren in Angriff genommen wird. Damit soll festgestellt werden, ob die geltenden Energieeinsparnormen für solche Geräte geändert werden müssen. Und vergessen Sie nicht die von der Securities and Exchange Commission (SEC) vorgeschlagenen neuen Regeländerungen, die klimabezogene Informationen in Registrierungserklärungen und Jahresberichten von Anlegern erfordern würden, einschließlich (per SEC-Website):
„die Governance des Registranten in Bezug auf klimabezogene Risiken und relevante Risikomanagementprozesse
wie vom Registranten identifizierte klimabezogene Risiken wesentliche Auswirkungen auf sein Geschäft und seinen Konzernabschluss hatten oder haben werden, die sich kurz-, mittel- oder langfristig manifestieren können
wie alle identifizierten klimabezogenen Risiken die Strategie, das Geschäftsmodell und die Aussichten des Registranten beeinflusst haben oder wahrscheinlich beeinflussen werden“
Die Offenlegung der Treibhausgasemissionen eines Registranten wäre ebenfalls erforderlich, was Druck auf die Lieferanten – einschließlich der Pumpenhersteller – ausüben würde, ihren Beitrag zu diesem globalen Problem zu verringern.
Die Hauptbotschaft lautet: Unternehmen müssen bereit sein, sich mit ihren Umweltauswirkungen auseinanderzusetzen. Die Umwelt ist nicht das erste, woran Unternehmen bei der Auswahl von Pumpenmotoren denken, aber es gibt Vorteile, umweltfreundlich zu werden, darunter:
Pumpenhersteller, die die regulatorischen Auflagen erfüllen können, haben einen Wettbewerbsvorteil auf dem Markt.
Umweltfreundlichere Motoren haben greifbare Vorteile für die Benutzer.
Einsparungen durch niedrigere Stromrechnungen sind wichtig. Die Stromkosten für die industrielle Nutzung stiegen um fast 6 % von einem Bundesdurchschnitt von 6,9 Cent pro kWh im Januar 2021 auf 7,3 Cent im Januar 2022.
Es lohnt sich also zu bedenken, dass neue, umweltfreundlichere und effizientere Systeme, die Energie intelligenter nutzen, Kosten und Schadstoffemissionen senken und zwei Fliegen mit einer Klappe schlagen würden.
Wettbewerbsfähig & grün
Elektrische Industriepumpenmotoren selbst könnten aufgrund ihrer Anzahl im Einsatz allein eine große Beeinträchtigung des industriellen Energieverbrauchs verursachen. Berechnungen von ABB zufolge könnte der Stromverbrauch um ein Fünftel gesenkt werden, wenn weltweit hocheffiziente Motorsysteme eingeführt würden. Das mag wie ein Wunschtraum klingen, aber von Motoren wird immer mehr erwartet. Höhere IEC-Standards gibt es bereits.
Laut Omdia betreiben 75 % der Industriemotoren Pumpen, Lüfter und Kompressoren, die alle erhebliche Möglichkeiten zur Effizienzsteigerung bieten. Beispielsweise kann ein drehzahlgeregelter Antrieb (VSD) den Stromverbrauch in der Regel um 25 % reduzieren, wenn er zum vorhandenen Motor einer Pumpe, eines Lüfters oder eines Kompressors hinzugefügt wird. Derzeit sind jedoch weniger als ein Viertel der Pumpenmotoren weltweit mit einem VSD ausgestattet.
Nehmen Sie nur das Beispiel des Umgangs mit Wasser. Das Pumpen kann bis zu 85 % der Energie verbrauchen, die beim Umgang mit Wasser verwendet wird. Ein Papier von ABB aus dem Jahr 2021 schätzt, dass verbesserte Systeme mit Frequenzumrichtern und hocheffizienten Motoren zu Energieeinsparungen von 25 % bis 30 % führen könnten. Und obwohl diese Schätzung die Wasser- und Abwasserindustrie betraf, gibt es keinen Grund zu der Annahme, dass das, was für einen Pumpenmotor gilt, nicht auch für eine andere Situation gilt, nur weil sie an verschiedenen Orten und in verschiedenen Unternehmen eingesetzt werden.
Alles über Effizienz
Um den besten Wirkungsgrad und die damit verbundenen Energieeinsparungen zu erzielen, sind bei der Bewertung von Motoren drei wichtige Überlegungen zu beachten. Erstens kann die Branche ihre Ziele nicht erreichen, indem sie sich auf alte Technologien verlässt. Beispielsweise haben Induktionsmotoren in der Regel bestenfalls einen Wirkungsgrad von 75 %. Ihre Effizienz kann verbessert werden, indem sie mit einem VSD gekoppelt werden, aber dies ist wirklich eine Teillösung, die am besten Situationen überlassen wird, in denen eine Nachrüstung die einzige Option ist. Die besten Ergebnisse könnten mit Synchron-Permanentmagnetmotoren (PMM) erzielt werden, die Wirkungsgrade von über 90 % erreichen können.
Zweitens sollte der Motor mit einem gut abgestimmten VSD gekoppelt werden. Beachten Sie, dass der Systemwirkungsgrad berechnet wird, indem der Motorwirkungsgrad mit dem Wirkungsgrad des Frequenzumrichters multipliziert wird. Wenn beispielsweise ein Motor mit einem Wirkungsgrad von 90 % mit einem Antrieb mit einem Wirkungsgrad von 90 % gekoppelt wird, hat das System nur einen Wirkungsgrad von 81 %. Was den Energieverbrauch angeht, ist die Systemleistung ausschlaggebend und es sind Systeme mit einem Wirkungsgrad von über 90 % erreichbar. Es sollte beachtet werden, dass VSDs über einen Bereich von Geschwindigkeiten arbeiten. Dies hat zwei Vorteile.
Erstens kann ein Motorsystem mehrere Geschwindigkeitsbereiche abdecken, wodurch die Notwendigkeit einer vielfältigeren Produktlinie reduziert wird. Zweitens muss die Beziehung zwischen Drehzahl und Leistung einer Pumpe berücksichtigt werden, da sie einer kubischen Leistungskurve folgt. Der Durchfluss ist proportional zur Geschwindigkeit. Wenn das System 10 % langsamer läuft, liefert es 90 % Durchfluss.
Außerdem ist das Drehmoment proportional zum Quadrat der Drehzahl und die Leistung proportional zur Kubikzahl der Drehzahl. Infolgedessen reduziert eine Verlangsamung der Pumpe um 10 % die verbrauchte Leistung auf 73 % der vollen Leistung. Unter der Annahme, dass dies für die Anwendung angemessen ist, kann es sogar noch mehr Einsparungen bringen.
Schließlich ist es nicht kompliziert, in das Design selbst einzutauchen und zu prüfen, ob der Motor weniger Materialien verbraucht oder ob er sie effektiver nutzt. Neue Designs und eine bessere Nutzung verfügbarer Materialien sind für die Pumpenindustrie kein Wunschtraum. Kleinere, aber skalierbare Designs sind möglich.
Ein gut konzipiertes System kann weniger Material verbrauchen, was zu Motoren und Antrieben führt, die kleiner, leichter und kostengünstiger sind. Durch einen systemischen Ansatz bei der Motorbewertung können Pumpenhersteller ihre Produkte optimieren, um die Ziele der Endbenutzer und die gesetzlichen Anforderungen zu erfüllen.
Die Umweltpräferenzen der Verbraucher reichen nicht immer aus, um Kauf- oder Herstellungsentscheidungen zu beeinflussen. Es sollte also berücksichtigt werden, dass Pumpenmotoren mit verbessertem Wirkungsgrad weniger Strom verbrauchen und Betriebskosten sparen.
Kehuan stellte magnetisch angetriebene Pumpen her, die mit einem IEC-Motor ausgestattet waren und einen viel höheren Wirkungsgrad als Spaltrohrmotorpumpen hatten.
Nachhaltigkeit und Effizienz sind Worte, mit denen viel um sich geworfen wird. Elektrische Pumpenmotoren, die energieeffizienter sind, eignen sich für industrielle Anwendungen und könnten die natürliche Umwelt weniger beeinträchtigen. Die Suche nach Optionen, die skalierbar, effizienter und für Verbraucher einfacher zu bedienen sind, ist der Weg, um die Branche gleichzeitig umweltfreundlicher, nachhaltiger und rentabler zu machen.
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