Energiediät für ein Pumpenwerk

Neudimensionierung der Wärmeerzeugung 

Anhand von detaillierten Verbrauchsdaten erstellte das Team Standort-Services zunächst eine Wirtschaftlichkeitsberechnung, die als Entscheidungsgrundlage für die künftigen Wärmeerzeugungsarten diente. Dazu wurden im Vorfeld im Rahmen eines Energiemanagements nach ISO 50001 alle Wärmeverbrauchswerte über Wärmezähler erfasst. Die Auswertung ergab, dass im KSB-Werk Pegnitz deutlich weniger Energie benötigt wird, als von den Dampfheizkesseln bereitgestellt wurde. Rund 80 % des Heizwärmebedarfs entfallen auf statische Heizkreise für die Hallenheizungen, die sukzessive von Lufterhitzern auf Deckenstrahlplatten umgerüstet werden. In den Sommermonaten beschränkt sich der Wärmebedarf auf die Trocknungsprozesse für die Lackierung von Pumpen- und Armaturengehäusen sowie auf die Trinkwassererwärmung für die Mitarbeiter-Duschräume.

Umstellung auf leistungsangepasste Wärmeversorgung

Der Planungsauftrag für die Modernisierung der Heizzentrale lautete, die unwirtschaftliche Wärmeerzeugung von Dampf- auf Warmwasserheizung umzustellen und für das gesamte Heizsystem eine Systemstrategie für einen energieeffizienten Betrieb vorzusehen. „Eine geregelte und automatisierte Wärmeverteilung war eines der Hauptziele bei der Modernisierung der Heizzentrale, da die gesamte Anlage vor dem Umbau nur mit manueller Regelung betrieben werden konnte“, berichtet Manfred Fröba, Leiter Standort-Services und Produktionstechnik im KSB-Werk Pegnitz.

Während der Heizperiode 2014/15 wurde zunächst die Vorlauftemperatur im werks–internen Fernleitungsnetz auf 100 °C begrenzt. Auf diese Weise wurde getestet, ob die Wärmeversorgung auch mit einer Warmwasserheizung gewährleistet werden kann. Um die Wärmeerzeugung dem schwankenden Leistungsbedarf anpassen zu können, fiel die Entscheidung auf die Kombination von Kraft-Wärme-Kopplung und gasbefeuerte Heizkessel mit Brennwertnutzung. Ein wärmegeführtes BHKW mit einer Leistung von 500 kW_th deckt die Wärmegrundlast. Der zusätzliche Wärmebedarf für die Hallen- und Gebäudebeheizung wird durch zwei Spitzenlastkessel mit jeweils 4,2 MW Feuerungsleistung abgedeckt, die zusätzlich mit Abgaswärmetauschern ausgerüstet sind. Um möglichst lange Aggregat- und Brennerlaufzeiten erzielen zu können, ist zwischen Wärmeerzeugern und Verteilnetz parallel ein Pufferspeicher mit 50 m³ Volumen geschaltet. Die Wärmebereitstellung versorgt das gesamte Wärmenetz mit einer einheitlichen Vorlauftemperatur von 84 °C. Der erzeugte BHKW-Strom (400 kW_el) wird für den Eigenverbrauch in das Werksnetz eingespeist.

Begrenzung der Rücklauftemperaturen

Von der Heizzentrale aus führen drei als Fernwärmeleitungen verlegte Hauptstränge zu den Unterverteilungen in den einzelnen Werksgebäuden. Die regelungstechnische Aufgabe für den Rücklauf zum BHKW und zu den mit Abgaswärmetauschern ausgerüsteten Gas-Heizkesseln war, eine Spreizung im Bereich von 8 bis 10 K zu erzielen. Mit den zuvor eingesetzten Regelungskomponenten konnte nach den Erfahrungen der Betriebstechnik-Verantwortlichen nur eine Spreizung im Bereich von 5 K erreicht werden. Zur Einregulierung der Hauptstränge regulieren mit Ventilstellantrieben ausgerüstete Strangregulierventile selbsttätig den Volumenstrom anhand einer Sollwertvorgabe für die Rücklauftemperatur. Die dazu eingesetzten Mess- und Regelventile vom Typ „KSB BOA-CVE Control IMS“ arbeiten mit einer Ultraschallsensorik, so dass Volumenstrom und Temperatur ohne Berührung mit dem Durchflussmedium gemessen werden. Die Daten werden von einem zugehörigen „Boatronic“-Messcomputer erfasst und von dort an die GLT ausgegeben. Über die GLT erhält der Ventilstellantrieb bei Abweichung vom Rücklauftemperatur-Sollwert ein Stellsignal. „Wenn die Rücklauftemperatur am Hauptstrang zu hoch ist, fährt das Ventil weiter zu. Durch das Mess- und Regelventil mit Stellantrieb reagiert das System somit automatisch, wenn die momentane Wärmeabnahme im Werk gerade geringer ist“, sagt Manfred Fröba. 

Mit der Hubänderung der Mess- und Regelventile zur Anpassung der Volumenströme ändert sich entsprechend der Differenzdruck, der von der Pumpendrehzahlregelung registriert wird. Durch die drei Mess- und Regelventile, die in den Dimensionen DN 100 bis DN 200 in den Hauptrückläufen in der Heizzentrale sitzen, kann der Heizungsrücklauf des gesamten Werkswärmenetzes an drei zentralen Punkten geregelt werden. Damit werden ein Takten des BHKW-Betriebs vermieden und lange Aggregatlaufzeiten erzielt. „Ohne diese Mess- und Regelventile, die zusammen mit einem Druckaufnehmer und einem Stellantrieb jeweils einen autarken Regelkreis bilden, wäre an jedem einzelnen Übergabepunkt in den Gebäuden ein Rückdrosselventil nötig gewesen, um bei Nullabnahme in den Wärmetauschern der Übergabestationen Kurzschlüsse zu verhindern“, erläutert Manfred Fröba, der mit seinem Team von Standort-Services Pegnitz und dem Ingenieurbüro Karl Müller aus Bayreuth die Umsetzung der Modernisierung von der ersten Ideenskizze bis zur fertigen Anlage realisiert hat.

Drehzahlgeregelte Netzpumpen mit Sparmotoren

Auf veränderten Wärmebedarf reagieren auch die Netzpumpen, deren motormontierte Pumpendrehzahlregelung „PumpDrive“ die Förderleistung automatisch der veränderten Leistungsanforderung anpasst. Die dazu eingesetzten Normpumpen vom Typ „KSB Etanorm“ sind für eine maximale Fördermenge von 232 m³/h als Doppelpumpenanlage für je 2/3 der Gesamtfördermenge ausgelegt. Die Drehzahlregelungen arbeiten zunächst mit Konstantdruckregelung und sollen nach der Modernisierung aller Werkhallen auf dynamische förderstromabhängie Sollwertnachführung (DFS-Kennline) umgestellt werden. Angetrieben werden die Pumpen durch die von KSB entwickelten magnetfreien IE4-„SuPremE“-Pumpenmotoren. Diese Motorentechnologie basiert auf dem Prinzip des Synchron-Reluktanzmotors. Eine der wichtigsten Eigenschaften dieses Elektromotors zeigt sich in einem hohen Wirkungsgrad bei Teillast. Während die Drehzahlregelung für die bedarfsgerechte Leistungsanpassung sorgt und dabei gleichzeitig die Effizienz verbessert, reduziert der „SuPremE“-Motor den Pumpenstrombedarf nochmals um rund 25 %.

Gesteigerte Energieeffizienz

„Die hydraulische Optimierung der Wärmeverteilung im Zusammenhang mit der Modernisierung der Heizzentrale entspricht dem ,Fluid-Future‘-Konzept, das KSB seinen Kunden anbietet“, sagt Horst Schmidt, Planerberater beim KSB-Vertriebshaus Nürnberg. Das Ziel von „Fluid-Future“ ist, die Energieeffizienz des gesamten hydraulischen Systems zu optimieren. Dabei werden die Bestandteile aufeinander abgestimmt und mit dem Einsatz von Komponenten wie Pumpendrehzahlregelungen und den „SuPremE“-Pumpenmotoren sowie den zugehörigen KSB-Services die Einsparpotentiale realisiert. Durch die Betrachtung des hydraulischen Gesamtsystems lassen sich Energieeinsparungen bis zu 60 % erzielen. Die Pumpen für die Modernisierung der Heizzentrale wurden mit dem von KSB entwickelten Softwaretool „Easy Select“ dimensioniert, mit dem auch in der Kundenberatung und innerhalb des „Fluid-Future“-Konzepts Pumpenaggregate ausgelegt werden.

Pumpendrehzahlregelung und Regelarmaturen in Funktion

Der Umbau der Heizzentrale vollzog sich von der Demontage der Dampfkessel bis zur Inbetriebnahme im Januar 2016 innerhalb weniger Monate. „Das BHKW war seit der Inbetriebnahme im Januar im Dauerbetrieb und hat Anfang Juni aufgrund der hohen Außentemperaturen zum ersten Mal abgeschaltet“, berichtet Manfred Fröba über die Betriebserfahrungen nach dem ersten Halbjahr. Das gesamte Kesselhaus arbeitet vollautomatisch, so dass für Betrieb und Überwachung kein Personal benötigt wird. Manuelle Arbeiten sind nur zur Beschickung des Biomasse-Heizkessels zur Verfeuerung von Paletten- und Verpackungsholz nötig.

In die Modernisierung hat die KSB Aktiengesellschaft am Standort Pegnitz 1,1 Mio. € investiert. Für die Modernisierungsmaßnahme hatte die Abteilung Standort-Services bei der Wirtschaftlichkeitsberechnung eine Amortisationsdauer von 3,8 Jahren errechnet. Die modernisierte Heizzentrale dient für den Hersteller zugleich als Showroom, um Kunden anhand eines realen Anlagenbetriebs die Funktion von eigenen Produkten wie Pumpendrehzahlregelungen und Mess- und Regelventilen präsentieren zu können.