Energieeffiziente Pumpenaggregate von Andritz Ritz unterstützen Energieeinsparung von RWE

Andritz Ritz setzt auf eine moderne, hochleistungsfähige Simulationssoftware, die den Pumpenexperten eine strömungsoptimierte Konstruktion aller Pumpenbestandteile ermöglicht. So werden die Pumpen auch noch effizienter. Da macht es sich für die Anwender bezahlt, dass Andritz Ritz in Schwäbisch Gmünd immer das Gesamtsystem aus Pumpe, Motor und Einsatzgebiet im Fokus der Innovationen hat.

„Die Entwässerung der Tagebaue ist für die sichere Gewinnung der Braunkohle unabdingbar und kann frühestens eingestellt werden, wenn unsere drei Tagebaue Garzweiler, Hambach und Inden ausgekohlt und rekultiviert sind. Daher ist es sinnvoll, über Maßnahmen zur Verbesserung der Energieeffizienz bei den Pumpen nachzudenken“, schildert Hans-Joachim Teichmeier von RWE die Ausgangssituation vor rund drei Jahren. Rund 1.600 Sümpfungsbrunnen betreibt die RWE Power AG in den Tagebauen des Rheinischen Braunkohlereviers. Die hier gewonnene Rohbraunkohle wird überwiegend zur Stromerzeugung in den Kraftwerken der RWE-Power eingesetzt. In jedem Brunnen arbeitet eine Pumpe um den Tagebau in bis zu 530 m Teufe wasserfrei und den Grundwasserspiegel unterhalb des Arbeitsniveaus der riesigen Schaufelradbagger zu halten. So fördern die Pumpen jährlich rund 600 Mio. m3 Wasser, davon sind ein Drittel Trink- bzw. Ökowasser, ein weiteres Drittel dient als Kühlwasser für die Kraftwerke und das letzte Drittel wird in die Vorfluter Erft, Inde und Rur abgeleitet. Zusammen mit Ersatzpumpen und in der Revision befindlichen Aggregaten sind über 2.600 Unterwassermotorpumpen im Bestand der RWE. Seit 2010 lösen moderne, von Andritz Ritz entwickelte wirkungsgradstarke Unterwassermotorpumpen mit Premium Efficiency Motoren (PEM) nach und nach die Vorgänger ab. „Dadurch haben wir ein erhebliches Energieeinsparvolumen“, betont Teichmeier.

Energiemanagement sorgt für Effizienz

In einem ausgeklügelten Brunneninformations- und Optimierungssystems (BIOS) überwacht RWE alle Brunnen im Rahmen der Braunkohlengewinnung und sorgt für eine ständige Optimierung der Energieeffizienz. Als Betreiber der Entwässerungsanlagen kümmern sich Hans-Joachim Teichmeier und Sven Karsubke um die Pumpen in den Brunnengalerien. Den größten Teil der Lebenszykluskosten der Pumpen verursachen die Energiekosten für den kontinuierlichen Betrieb. Im Rahmen von Ersatzinvestitionen und von Neuinvestitionen, wenn der Tagebau in neue Tiefen und/oder in neue Abbaugebiete vorrückt, werden die strömungs- und energieoptimierten Unterwassermotorpumpen der SU-Baureihe von Andritz Ritz eingesetzt. „Diese Baureihe haben wir in den letzten Jahren – auch auf Anregung des Kunden – erheblich weiterentwickelt“, sagt Ludger Gottkehaskamp, verantwortlicher Produktentwickler von Andritz Ritz. „Dabei haben wir den Wirkungsgrad sowohl des Motors als auch der Pumpe gesteigert“, ergänzt Georg Cichon, ebenfalls Produktentwickler in Schwäbisch Gmünd. Darüber hinaus sind die Pumpen auf eine optimale Drainage, unter Berücksichtigung der Geologie- und Wasserflusssituation, ausgelegt worden. Die Gesamtbetrachtung von Motor, Pumpe und elektrischem Anschluss als Einheit bietet den Experten von Andritz Ritz dabei eine Vielzahl von Ansätzen zur Steigerung des Gesamtwirkungsgrads.

Durch umfangreiche Maßnahmen ist es den Entwicklern gelungen, sich widersprechende Ziele zu verfolgen und die Pumpen-Motor Einheit in allen Bereichen zu verbessern. So schafft eine Stufe einer neu designten 12-Zoll-Pumpe SU12-340 bei gleicher Fördermenge mehr als das Doppelte an Förderhöhe gegenüber dem Vorgängermodell. Anders herum betrachtet heißt das, dass die Pumpe nur noch 3 anstatt 7 Stufen benötigt, um die gleiche Förderhöhe zu erreichen. Das senkt die Materialkosten und den Anschaffungspreis. Durch gezielte Eingriffe in die Motorkonstruktion sind die Motoren der PEM-Generation wesentlich effizienter. Will man mit der neuen Pumpe die gleiche Fördermenge Q=330 m3 und Förderhöhe H=144 m erreichen wie mit dem Vorgänger, benötigt man 24 kW weniger Leistung, was sich im Laufe eines Jahres auf ca. 200.000 kWh beim Betrieb dieser Unterwassermotorpumpen summiert.

Der Gesamtwirkungsgrad des Aggregats im Bereich +/-30 Prozent um den optimalen Betriebspunkt beträgt jetzt 74 Prozent statt 64,4 Prozent.

Kleinere Pumpendurchmesser für gleiche Leistung

Die SU-Pumpen der neuen Generation brauchen selbst den Vergleich mit größeren Pumpen der Vorgängergeneration nicht zu scheuen. Eine SU12-420 mit neuem Design und PEM-Technologie bringt die gleichen Leistungen an Fördermenge und -höhe wie eine 14-Zoll-Pumpe der Vorgängergeneration und benötigt dafür trotzdem noch 20 kW weniger Leistung. Hinzu kommt ein großer Vorteil beim Brunnenbau. Geht man davon aus, dass die Baukosten mit jedem Zoll Brunnendurchmesser deutlich ansteigen, können Anwender schnell durch schlankere Brunnen ordentliche Einsparungen erzielen. Doch auch ohne die Berücksichtigung dieser Brunnenbaukosten amortisieren sich die neuen SU-Pumpen schnell. So gibt Andritz Ritz einen ROI von 2,6 Jahren an. „Bei voraussichtlich 30 Jahren Einsatzzeit sollte das jeden Controller überzeugen“, meint Matthias Müller, Geschäftsführer von Andritz Ritz.

Das optimale Ergebnis dieser hervorragenden Lösung erklärt Ludger Gottkehaskamp so: „Dahinter steckt konsequente Entwicklungsarbeit, für die wir inzwischen auch auf wesentlich leistungsfähigere Software zurückgreifen können.“ So unterstützt die Entwickler ein CFD-Programm (computational fluid dynamics) mit 3-D-Simulation zur Optimierung der Strömung innerhalb der Pumpe. Bis zu 250.000 Punkte innerhalb eines Strömungskanals können dabei zur Berechnung der optimalen Form berücksichtigt werden. „Früher konnten wir eine Berechnung auf gerade mal 90 Punkte pro Stromlinie und bis zu neun Stromlinien pro Schaufel stützen“, erinnert sich Georg Cichon. Die Weiterentwicklung der Unterwassermotoren betrifft vor allem die Gestaltung und Fertigung der Bleche. Hier kommen jetzt Bleche mit optimierten Leitungsfunktionen zum Einsatz.

Höhere Energiedichte durch niedrigere Stufenzahl

Die getrennte Betrachtung der Komponenten Motor und Pumpe ermöglicht die konsequente Steigerung der Wirkungsgrade beider. Durch die optimale Abstimmung aufeinander in einem weiteren Prozess sorgen die Entwickler bei Andritz Ritz dafür, dass auch der Gesamtwirkungsgrad maximal gesteigert wird. Bestes Beispiel dafür ist die Reduzierung der Stufenzahl der Pumpe und dadurch eine signifikante Erhöhung der Energiedichte. Bei RWE sieht man die Weiterentwicklung mit Freude, denn schließlich sollen die Arbeiter im Tagebau auch noch bis ins Jahr 2045 keine nassen Füße bekommen.