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- und wie sie minimiert werden können - Grundfos

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Grundfos Wasser Journal
Lebenszykluskosten von Abwassersystemen
- und wie sie minimiert werden können
Warum sich mit dem Thema Lebenszykluskosten beschäftigen?
energyproject.com) - eine von uns ins Leben
gerufene Initiative zum Energiesparen - oder
sprechen Sie uns einfach direkt an.
Warum sollten Sie sich mit dem Thema Lebenszykluskosten auseinander setzen? Ganz
einfach, wenn Sie wirklich an einer Reduzierung des Energieverbrauchs interessiert
sind, ist das der beste Einstieg:
Fast 20 % des weltweiten Stromverbrauchs
entfallen auf Pumpensysteme.
Und nicht weniger als 30 % bis 50 % der von
Pumpen verbrauchten Energie könnten eingespart werden! Ausführliche Informationen
hierzu erhalten Sie auf der Internetseite von
Grundfos, über das Energieprojekt (www.
Thames Water: ”Der Energieverbrauch ist für
85 % der Gesamtkosten verantwortlich”
Wenn wir mehr ins Detail gehen: Wie sehen
die Kennzahlen für die Abwasserförderung
tatsächlich aus?
Die Einsparmöglichkeiten sind genauso groß
wie bei anderen Anwendungen. Und nicht nur
Grundfos äußert sich in diesem Sinne.
Das Unternehmen Thames Water z.B. führte
im Rahmen einer Studie eine unabhängige
Untersuchung durch, um die tatsächlichen
Kosten für den Betrieb Ihrer Pumpensysteme
über die gesamte Lebensdauer zu ermitteln.
Die dabei zu Tage getretenen Ergebnisse sind
auf der rechten Seite dargestellt.
Pumpensysteme
Andere Verbraucher
Die Entscheidung für mehr Effizienz trägt sich
von selbst
Aus den Untersuchungsergebnissen von Thames Water können folgende einfache Schlussfolgerungen abgeleitet werden:
Das Geld optimal einzusetzen bedeutet, auf
die Gesamtkosten über die gesamte Nutzungsdauer zu achten – nicht nur auf die
Anschaffungskosten der Pumpenausrüstung.
Wie aus dem Diagramm ersichtlich zahlt sich
die Entscheidung, eine effizientere Pumpe
anzuschaffen, schnell aus – und wirft danach
echten Gewinn ab.
Hinweis zur Abbildung: SmartTrim ist eine von
Grundfos entwickelte und patentierte Technologie zum Nachstellen des Laufradspalts
– weitere Details hierzu finden Sie in dem Abschnitt über den Laufradspalt und seinen Einfluss auf die Gesamtkosten.
Kostengünstige
Pumpe mit schlechtem
Wirkungsgrad
Lebenszykluskosten
Anschaffungskosten 5%
Wartungskosten 10%
Energiekosten 85%
Pumpe mit hohem
Wirkungsgrad und
SmartTrim
en
skost
etrieb
nd B
ng- u
u
Wart
Wartung- und Betriebskosten
Deckungsbeitrag
Beschaffungskosten
Amortisationszeit
Zeit
Wie können Sie die langfristigen Kosten
erheblich senken?
Einfach ausgedrückt verfolgt die LCC-Analyse
das Ziel, den Energieverbrauch und die Wartungs- und Servicekosten zu senken. Deshalb
zahlt sie sich auf lange Sicht aus. Aber wie
können Sie dieses Ziel erreichen?
Das Hauptanliegen dieses Beitrags ist:
•
•
•
den Einfluss von Pumpeneffizienz und
Wartung auf die Lebenszykluskosten
aufzuzeigen.
einen konkreten Nachweis zu erbringen,
wie durch Grundfos Abwasserpumpen die
gesamten Betriebskosten gesenkt werden
können.
die Berechnungsgrundlagen vorzustellen,
mit denen Sie Ihre LCC-Analyse selbst durch
führen können.
Die einzelnen Faktoren der
Lebenszykluskosten
Zur Ermittlung der Lebenszykluskosten sind
die nachfolgend aufgeführten Faktoren, die
während der gesamten Nutzungsdauer anfallen, zu berücksichtigen. Viele lassen bei der
Betrachtung einige Faktoren bewusst weg
– oder vergessen einfach einige Faktoren. Aber
der Aufwand lohnt sich, jeden einzelnen Faktor bei der Ermittlung der Lebenszykluskosten
mit einzubeziehen. Zudem sollten alle Faktoren sorgfältig erfasst und nicht nur grob abgeschätzt werden. Die einzelnen Faktoren sind:
Planungs- und Gestaltungsphase
• Welche meiner ausgearbeiteten Investitions
varianten ist die beste?
• Soll ich die alten Pumpen durch neue
ersetzen? Und welche Pumpen sind für den Austausch zu bevorzugen?
• Welche Pumpen eignen sich am besten für
mein Anlagen-Layout? Welches ist für den
vorliegenden Anwendungsfall der beste
Anlagenentwurf?
Beschaffungsphase
• Welches ist das beste Angebot auf Ihre
Ausschreibung bzw. Anfrage?
• Cic
= Anschaffungskosten, Kaufpreis
• Cin = Einbau bzw. Aufstellung und
Inbetriebnahme
• Ce = Energiekosten
• Co = Betriebskosten
• Cm = Wartungskosten
• Cs = Kosten für Ausfallzeiten
• Cenv = Umweltkosten
• Cd = Kosten für die Außerbetrieb
nahme und Entsorgung
Der Betrachtungszeitraum beträgt
normalerweise 10 Jahre.
Behandelte Themen
Es gibt viele Punkte zu beachten, wenn Sie Ihre
Lebenszykluskosten senken wollen. So gehen
wir in diesem Beitrag auf folgende Aspekte
näher ein:
Wann sollten Sie eine LCC-Analyse
durchführen?
Es gibt zwei klar definierte Zeitpunkte, wo eine
Analyse der Lebenszykluskosten betriebswirtschaftlich Sinn macht: wenn Sie eine Anlage
planen/entwerfen und wenn die Pumpen
für den Einbau beschafft werden sollen. Die
Kenntnis über die genauen Lebenszykluskosten der unterschiedlichen Alternativen hilft
Ihnen dann, z.B. die nachfolgenden Fragen zu
beantworten.
X3
X1
Min. F + F1
+ 200 mm
Min. 200 mm
Lx)
X2
Min. 200 mm
Gestaltung des Pumpensystems
Pumpengröße und Anschaffungspreis
Kostenverteilung
Spezifischer Energieverbrauch
Abnahme der Pumpeneffizienz
Leckverluste
Analyse der Lebenszykluskosten einer
Pumpe
Auswirkungen eines allmählich zunehmen
den Laufradspalts
Aktueller LCC-Wert
Min. 200 mm
Min. 100 mm
•
•
•
•
•
•
•
•
•
F1
A
60o
F
Kosten
Mögliche Fallen bei der LCC-Analyse
Die LCC-Analyse ist eine hervorragende Möglichkeit die Angebote der Pumpenlieferanten
miteinander zu vergleichen, um so Ihre Kunden optimal bedienen zu können. Sie lenkt
den Blick auf die Gesamtkosten und nicht nur
auf den Anschaffungspreis.
Dennoch ist es sehr wichtig, die Kosten genau
zu ermitteln. Denn wenn die zur Berechnung
angesetzten Kosten für Energie und Wartung
nur auf groben Schätzungen beruhen, birgt
das Ergebnis der LCC-Analyse gewisse Unsicherheiten. Deshalb sollten Sie bei der Ermittlung der einzelnen Kostenfaktoren sehr sorgfältig vorgehen!
Nachdem wir diesen wichtigen Sachverhalt,
der das Ergebnis der LCC-Analyse stark beeinflusst, angesprochen haben, wollen wir uns
nun konkret der Planungs- und Gestaltungsphase zuwenden – und aufführen, welche
Faktoren hier beachtet werden müssen.
200
Price/PN
(%)
Anschaffungspreis
PN (%)
100
Rohrleitungsquerschnitt
0
2
50
10
Eine Reduzierung des Durchmessers der
Hauptsteigleitung bedeutet
• geringere Beschaffungskosten für die
Rohrleitungen
• höhrere Investitionen für die
Pumpenausrüstung
• höhere Energiekosten
Die Größe der Hauptsteigleitung wird auf
Basis folgender Faktoren ausgewählt:
• Wirtschaftlichkeit
• Erforderlicher Innendurchmesser für die
Funktion der gesamten Anlage
• Erforderlicher Mindestförderstrom
• Strömungsgeschwindigkeit in der
gesamten Anlage
PN (kW)
500
Strömungsgeschwindigkeit
1. Beschaffungskosten für die Hauptsteigleitung
2. Beschaffungskosten für die Pumpstation
3. Energiekosten
4. Gesamtkosten
Gestaltung des Pumpensystems
Wie soll nun aber meine Abwasseranlage ausgeführt werden? Der optimale Durchmesser
der Hauptsteigleitung hängt davon ab, ob die
Pumpstation im Dauerbetrieb oder nur zeitweise betrieben wird.
Die tatsächlichen Kosten kleiner
Pumpstationen
Wie aus der Abbildung ersichtlich bilden bei
kleineren Pumpstationen die Wartungskosten
den größten Anteil an den Gesamtkosten,
dicht gefolgt von den Energiekosten.
43%
• Pumpstationen, die nur wenige Betriebsstunden pro Jahr laufen, können an kleinere
Hauptsteigleitungen angeschlossen werden.
Die damit verbundenen höheren Reibungsverluste können vernachlässigt werden. Zur
Überwindung der höheren Reibungsverluste,
muss zwar mehr Energie aufgewendet werden – aber wegen der geringen Betriebsdauer
ist der Einfluss der höheren Energiekosten auf
die Gesamtkosten als gering anzusehen.
Wartungskosten

40% Energiekosten

16%
Gestaltung des Pumpensystems
Wenn Sie ein Pumpensystem entwerfen, hängen die Anschaffungskosten für die Pumpenausrüstung und die Betriebskosten direkt von
der Größe der Hauptsteigleitung ab.
100
Anschaffungspreis

1%
Umweltkosten
Die tatsächlichen Kosten großer
Pumpstationen
Diese Erkenntnis steht im Gegensatz zu den
großen Pumpstationen, wo sich die Grundfoseigenen Untersuchungen mit der Studie von
Thames Water decken.
10%
• Für Pumpstationen, die pro Jahr viel Stunden laufen, sind Hauptsteigleitungen mit
größeren Querschnitten vorzusehen. Dadurch werden die Reibungsverluste reduziert und damit auch die pro Stunde für den
Pumpenbetrieb aufzuwendende Energie.
Zeitweiser Betrieb < 1000
Dauerbetrieb
0
20
40
60
80
100 120 140 160 180 200
Energieverbrauch kontra Wartung …
Bei kleineren Abwasserpumpen (10 kW
oder kleiner) ist der Energieverbrauch nicht
zwangsläufig der wichtigste Punkt, auf den sie
achten sollten.
Die Anzahl der Betriebsstunden pro Jahr ist
häufig relativ gering.
Im Gegensatz dazu erscheint der Anschaffungspreis für effiziente Pumpen hoch.
Deshalb sollten Sie in diesem Fall vor allem
auf die Wartungskosten achten, die für die
verschiedenen Pumpenfabrikate und –typen
anfallen.
Wartungskosten
84% Energiekosten
5%
Anschaffungskosten
1%
Umweltkosten
Schlussfolgerungen
Zusammenfassend kann somit festgestellt
werden, dass während der Planungs- und
Gestaltungsphase nachfolgend aufgeführte
Punkte zu beachten sind.
Berechnung der erforderlichen spezifischen
Energie
Der spezifische Energieverbrauch ist eine
Funktion des Förderstroms. Pgr ist dabei die
von dem Pumpensystem aus dem Netz aufgenommene Leistung.
• Bei großen Pumpstationen hat die Pumpeneffizienz sehr viel größere Auswirkungen
auf die Kosten als der Anschaffungspreis
– dies sollten Sie berücksichtigen, wenn Sie
langfristig Geld sparen wollen.
Dabei ist
µ= 0,6 ein Strömungskoeffizient
g = 9.81 m/s2
D = mm
t = mm
H=m
Die Dichte r beträgt 1000 kg/m³.
• Bei kleinen Pumpstationen und/oder nur
zeitweisem Einsatz ist ein zuverlässiger, störungsfreier Betrieb wichtiger als die Energieeffizienz. Hier stehen die Wartungskosten im
Vordergrund.
Herkömmliche Pumpen mit Metall-aufMetall-Abdichtung
Leckagestrom Q
The density r 1000 kg/m3
Wir wollen nun auf bestimmte Punkte näher
eingehen und danach einige Berechnungen
durchführen.
Tappen Sie nicht in eine der vielen
Berechnungsfallen
Sehr häufig beruht die Berechnung der Energiekosten auf groben Abschätzungen des Energieverbrauchs. Dadurch werden die Ergebnisse
der LCC-Analyse ungenau. Hier sind nun einige
Punkte aufgeführt, wie Sie die häufigsten
Fallen bei der Berechnung umgehen können:
•
–
•
–
•
–
Gehen Sie niemals von einer gleich bleiben
den Pumpeneffizienz aus
berücksichtigen Sie den Einfluss möglicher
Lufteinschlüsse. Dies wird häufig
übersehen.
Vergessen Sie nicht, dass auch Verschleiß
Auswirkungen auf die Pumpeneffizienz hat
berücksichtigen Sie bei der Ermittlung der
Pumpeneffizienz die Prüfstandards
Führen Sie die Berechung nicht nur für den
Einpumpenbetrieb bei festem
Betriebspunkt durch
auch der Einfluss eines Parallelbetriebs
und variierenden Betriebspunkten sollte in
die Betrachtung einfließen
Der spezifische Energieverbrauch:
Die Kosten für den Transport von Wasser
Kommen wir nun zur Berechnung. Eine hilfreiche Kennzahl ist hier die erforderliche “spezifische Energie” Ihrer Anlage. Das dahinter
stehende Prinzip ist einfach: Ein Pumpensystem dient dazu, eine bestimmte Abwassermenge von A nach B zu transportieren.
• Der “spezifische Energieverbrauch” gibt
Auskunft darüber, wie viel Energie – angegeben in Watt - für den Transport eines m³ Abwassers benötigt wird.
Aufgewendete Energie
Gefördertes Volumen
Spezifischer
Energieverbrauch
Berechnung der erforderlichen
spezifischen Energie
Beispiel:
Förderstrom: 1000 l/s
Förderhöhe: 11,8 m
Gesamtwirkungsgrad: 76 %
Leistungsaufnahme: 152 kW
Leckverluste
Ein anderer wichtiger Aspekt, der häufig übersehen wird, sind die Leckverluste, die normalerweise zwischen dem Druckflansch der Pumpe
und dem automatischen Kupplungssystem
auftreten. Diese Leckverluste sind besonders
hoch, wenn die Abdichtung zwischen Kupplung
und Druckflansch, wie bei herkömmlichen
Pumpen üblich, über Metalldichtungen erfolgt.
Die Leckagefläche wird wie folgt berechnet:
Abnahme der Pumpeneffizienz
Diese Leckverluste führen zu einer Abnahme
der Pumpeneffizienz.
Beispiel:
Für die Berechnung des Leckagestroms gilt
folgende Gleichung:
Druckflansch der Pumpe: DN350
Flansch der automatischen Kupplung: DN350
Leckagespalt: 3 mm
Förderhöhe: 45 m
Herkömmliche Pumpen mit Metall-aufMetall-Abdichtung
Leckagestrom Q
Herkömmliche Pumpen mit Metall-aufMetall-Abdichtung
Leckagestrom Q
Leckverluste bei metallischer Abdichtung
Nach Einsetzen der Leckagefläche in die obere
Gleichung ergibt sich der Leckagestrom zu:
Leckverluste vermeiden mit SmartSeal
Grundfos hat eine Lösung gefunden, um
derartige Leckverluste zu vermeiden: Eine
profilierte Gummidichtung zwischen dem
Druckflansch der Pumpe und dem Flansch der
Autokupplung verhindert das Auftreten von
Leckagen an dieser Stelle.
Automatische Kupplung mit Flanschen von
DN65 – DN500
H
η
H
H’
Andere Ursachen für Leckverluste
Leckagen verringern die Pumpeneffizienz. Sie
können aus verschiedenen Gründen auftreten:
η
η’
• Interne Leckverluste können das Ergebnis
von Differenzdrücken entlang des Laufrad
spaltes sein.
•
Abrasive Bestandteile, wie Sand und Kies,
im Abwasser und Regenwasser können zu
Verschleiß im Laufradbereich führen und den Laufradspalt vergrößern.
Q
100
s = 1 mm
• Leckagen treten allgemein auch im Bereich des Druckanschlusses auf.
Die Erfahrung zeigt, dass die Pumpeneffizienz
in Abwasseranwendungen um 1-3 % pro Jahr
abnimmt.
Zusammenhang zwischen dem Laufradspalt
und einer abnehmenden Pumpeneffizienz
Die Ursache für eine Abnahme der Pumpeneffizienz kann in einer allmählichen Zunahme
des Laufradspalts liegen.
Das Beispiel im Diagramm zeigt eine 200 kWPumpe mit einem Zweikanallaufrad und die
Auswirkungen eines zunehmenden Laufradspalts.
Bei Auslieferung beträgt der Laufradspalt 1
mm, der sich dann jedoch mit der Laufzeit verändert. Aber mit zunehmendem Laufradspalt
sinkt auch die Pumpeneffizienz.
Dieses Diagramm zeigt die Veränderung der
Förderleistung und Effizienz in Abhängigkeit
des Laufradspalts. Angegeben sind die Kurven
für einen Laufradspalt von 3 mm und 6 mm.
80
80
60
60
40
40
20
20
0
0
Semi-open
S
S
S
200
300
400
500
600
0
Abnahme der Effizienz ist abhängig
vom Pumpentyp
Bei Abwasserpumpen, die längere Zeit im
Betrieb sind, ist die Effizienz geringer als bei
neuen Pumpen. Ein nachjustierbarer Laufradspalt kann helfen, hier gegenzusteuern. Die
durchschnittliche Abnahme der Effizienz für
die unterschiedlichen Laufradtypen kann wie
folgt angegeben werden:
•
•
•
•
Halboffenes Laufrad ohne
nachjustierbarem Laufradspalt: - 5 %
Halboffenes Laufrad mit nachjustierbarem
Laufradspalt: - 3 %
Geschlossenes Laufrad ohne nachjustierbarem Saugspalt: - 3 % (Radialspalt)
Geschlossenes Laufrad mit nachjustierbarem Saugspalt: - 1,5 % (Axialspalt)
S
S
S
100
S
S
S
Closed; radial clearance
Closed; axial clearance
Die Pumpeneffizienz wiederherstellen
Dank der SmartTrim-Technologie kann bei
Grundfos Pumpen die ursprüngliche Effizienz,
die die Pumpen direkt nach Auslieferung besitzen, auch nach längerer Laufzeit vollständig
wieder hergestellt werden.
Berechnung der Auswirkungen eines
zunehmenden Laufradspalts
Der Druck außerhalb des Laufradspalts ist ungefähr halb so groß wie die Förderhöhe der
Pumpe (H/2).
Der Strömungskoeffizient für den Laufradspalt ist ca. 0,6.
Damit lässt sich der Leckagestrom wie folgt
berechnen:
Grundfos SmartTrim
SmartTrim ist eine patentierte Grundfos-Technologie zum Nachstellen des Laufradspalts,
ohne dass die Pumpe ausgebaut und zerlegt
werden muss, wie bei herkömmlichen Abwasserpumpen. So bietet SmartTrim einen sehr
viel einfacheren und schnelleren Weg die volle
Effizienz wiederherzustellen.
Nachfolgend finden Sie einige Gleichungen,
mit denen Sie den Einfluss des Laufradspalts
auf die Pumpeneffizienz berechnen können.
Veränderung des Laufradspalts durch
Verschleiß
Durch Verschleiß und Abrieb vergrößert sich
der Laufradspalt. Dies wiederum führt zu einer Abnahme der Pumpeneffizienz. Wenn die
Werkseinstellung durch Nachjustieren des
Laufradspaltes nicht wieder hergestellt wird,
nimmt die Effizienz wie in der nachfolgenden
Abbildung dargestellt ab.
Werkseitig eingestellter Laufradspalt
Jahre
H
H’
Berechnung der Auswirkungen eines
zunehmenden Laufradspalts
Der Durchmesser am Laufradeingang ist
Im Bereich des Wirkungsgradbestpunkts beträgt die Strömungsgeschwindigkeit 4,5 m/s.
Die Fläche des Saugspalts ergibt sich zu
Abnahme der Pumpeneffizienz in %
H
Der relative Wert für die Abnahme der
Effizienz ist:
η
η
η’
Q
Berechnung der Auswirkungen eines
zunehmenden Laufradspalts
Beispiel:
Förderstrom: 1800 l/s
Förderhöhe: 20 m
Laufradspalt: 2 mm
Aktueller LCC-Wert
Aktueller LCC-Wert = Anschaffungspreis + PV
(aktuelle Bewertung) von:
– Energiekosten
– Routinemäßiger Wartung
– Routinemäßigem Verschleißteileaustausch
– Planmäßiger Serviceüberholung
– Ersatzteilen für Serviceüberholung
PV= Kosten pro Jahr / [1+(Zinssatz – Inflationsrate)]1-n - eine Definition ist auf den folgenden
Seiten angegeben.
Berechnung der Auswirkungen eines
zunehmenden Laufradspalts
Nimmt der Laufradspalt zu, muss H durch einen Abschwächungsfaktor korrigiert werden.
In diesem Beispiel führt die Zunahme des Laufradspalts zu einer Abnahme der Effizienz um
11 %.
Definition: Routinemäßige Wartung
Im Hinblick auf die Berechnungen umfasst die
“Routinemäßige Wartung” folgende Tätigkeiten:
1. Jährliche Überprüfung und Nachjustieren des Laufradspalts
Ein Nachstellen des Laufradspaltes wird bei
Pumpen empfohlen, deren Laufradspalt größer 2 mm ist und die über eine Nachstellmöglichkeit verfügen.
Der Leckagestrom nimmt zu und damit auch
die Wirbelgeschwindigkeit zwischen dem Pumpengehäuse und dem Laufrad. Dadurch sinkt
der Druck außerhalb des Saugspalts.
Messungen in der Praxis zeigen, dass dieser
Faktor ungefähr doppelt so groß ist, wie der
Druckabfall. Damit lässt sich H durch folgenden Ausdruck ersetzen:
Die obere Gleichung ergibt sich dann zu
1. Überprüfung des Ölstands und
Ölzustands
2. Sichtprüfung der Pumpe/Pumpenstation
Aktueller LCC-Wert
Eine weitere wichtige Gleichung, die zur Minimierung der Lebenszykluskosten genutzt werden kann, gibt Aufschluss über den aktuellen
LCC-Wert. Denn es kann sehr hilfreich sein,
eine Vorstellung darüber zu bekommen, wie
viel Sie heute einsparen können, wenn Sie ein
klein wenig mehr investieren.
Berechnung der Auswirkungen eines
zunehmenden Laufradspalts
Nach Herleitung der Gleichung und Eingabe
der Werte in der vorgegeben Einheit lässt sich
die relative Abnahme der Effizienz und Förderhöhe wie folgt bestimmen:
Cp= Kostenfaktor
n= Anzahl der Jahre
i = Zinssatz
p= erwartete durchschnittliche Inflationsrate
pro Jahr
i-p = Zinssatz nach Abzug der Inflationsrate
mit:
Q = l/s
H=m
S = mm
Aktueller LCC-Wert
Beispiel:
Der Kostenfaktor wird über einen Zeitraum
von 10 Jahren ermittelt.
Zinssatz: 5 %
Jährliche durchschnittliche Inflationsrate: 2 %
und
sind Relativwerte. Die Gleichung
gilt für den Betrieb um den Wirkungsgradbestpunkt.
Wir denken voraus, damit Sie
auch morgen noch von einer
optimalen Abwasserlösung
profitieren können.
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