Im Trendmonitor 2015 „Lebensmitteltechnologie“ der DLG (Deutsche Landwirtschafts-Gesellschaft) wurden u. a. die Investitionsabsichten von Food- und Beverage-Unternehmen abgefragt. Demnach werden die meisten Investitionen in der Produktion getätigt – und hier steht neben der Kapazitätserweiterung die Effizienzsteigerung im Vordergrund. Wer Pumpen für große Fördermengen bei effizienter Nutzung der Energie sucht, wird bei den Norm- und Blockpumpen von Grundfos fündig.

Die überwiegend mittelständischen Unternehmen der Getränkeindustrie bevorzugen traditionelle, bewährte Produktionsabläufe, die eine hohe Qualität sicherstellen. Das ist einerseits auch gut so – die Qualität bei der Herstellung eines Lebensmittels steht im Vordergrund und sollte nicht gefährdet werden – andererseits ist es dadurch schwieriger neuartige und innovative Technologien rasch zu übernehmen.

Mehr Effizienz in der Getränkeindustrie

Die Herausforderung: Branchenbeobachter gehen davon aus, dass sich durch die Intensivierung des Wettbewerbs der Druck auf die erzielbaren Preise fortsetzen wird. Die Getränkehersteller müssen deshalb Wege finden, ihre Prozesse insgesamt effizienter zu gestalten. Das ist – siehe oben – wegen der grundsätzlichen Zurückhaltung in der Branche gegenüber neuen Technologien nicht einfach. Hinzu kommt als weiterer Hinderungsgrund oft ein Mangel an Informationen über die Einsparmöglichkeiten bei den Energie- und Produktionskosten. Die Metastudie des Instituts für Energieeffizienz in der Produktion (EEP) der Universität Stuttgart hat dazu diese Zahl parat: 30% und mehr Energie könnten eingespart werden, wenn Unternehmen die Energieeffizienz in der Produktion von Maschinen, Anlagen und Gütern massiv verbesserten.

Zwar liegt der Schwerpunkt des Energieeinsatzes in der Getränkeindustrie generell stärker bei der thermischen (Erhitzen, Kühlen, Trocknen) als bei der elektrischen Energie – aber auch hier lohnt ein genauer Blick auf die eingesetzte Technik und deren Lebenszyklus-Kosten. Und dieses genaue Hinschauen offenbart vielfach, dass selbst der Austausch beispielsweise einer noch tadellos funktionierenden Pumpe sehr wohl wirtschaftlich sein kann.

Sekundärprozesse zuerst prüfen

Es gibt Gründe, den Eingriff in gut laufende Prozessabläufe zu scheuen („Never change a running system!“). Warum aber nicht mit einfachen, unkritischen Maßnahmen beginnen? In jeder Produktionsanlage gibt es neben den Primärprozessen auch die so genannten Sekundärprozesse – Kreisläufe zur Beheizung, Kühlung, Wasserversorgung, Reinigung. Wurden die hier installierten Pumpen bereits vor Jahren installiert, sind sie mit hoher Wahrscheinlichkeit überdimensioniert und verbrauchen mehr Energie als erforderlich. Mit Pumpen Audits kann ein Service-Spezialist leicht herausfinden, welche Pumpen das sind. Die Praxis zeigt, dass besonders bei in Teillast betriebenen Pumpen der Wechsel zu Hocheffizienzmotoren und zu drehzahlveränderlichen Antrieben bis zu 50% der Energie spart.

Beispielsweise zeigte das Pumpen Audit bei einer deutschen Brauerei: Die Leistungsdaten der vorhandenen Pumpen zur Bereitstellung der Prozesskälte entsprachen bei einem Wirkungsgrad von 45% nicht mehr dem Stand der Technik und führten zu unnötig hohen Betriebskosten. Als Austauschvariante wurde eine Grundfos-Blockpumpe der Baureihe NB vorgeschlagen. Gegenüber der bisherigen Pumpen-Installation ergab sich eine Einsparung an elektrischer Energie (bei 8.600 Betriebsstunden/Jahr und 23 h/Tag) von 92.020 kWh/Jahr. Dies entspricht bei einem Strompreis von 0,10 €/kWh einer jährlichen Betriebskostenersparnis von 9.202 €/Jahr bzw. 61% der bisherigen Betriebskosten der Alt-Pumpen. Bei angenommenen Investitionskosten von 3.800 € für den Austausch einer der Pumpen amortisiert sich die Gesamtinvestition bereits nach ca. fünf Monaten.

Die Erfahrung zeigt: Wer bei Sekundärprozessen gesehen hat, wie einfach es ist, die „Energiefresser“ unter den Pumpen zu identifizieren und auszutauschen, traut sich auch an eine Analyse der Prozesspumpen heran.

Pumpen als Arbeitspferde

Grundfos hat die Baureihen NK und NB (einstufige, horizontale, normalsaugende Spiralgehäusepumpen in Norm- bzw. Blockbauweise gemäß DIN EN 733) u.a. für Anwendungen in der Food-Industrie entwickelt. Hier arbeiten diese Pumpen überwiegend in Sekundärprozessen ohne höhere Hygieneanforderungen wie dem Temperieren, der Eis- und Kühlwasserversorgung, in Flaschenwaschanlagen, Kühlturmanwendungen, generell in der Wasseraufbereitung und in Filtrationsanlagen. Als Grauguss-Pumpen (Baugrößen bis 250-500) realisieren NB/NK Fördermengen bis 1200 m³/h.

In CIP-Reinigungskreisläufen, wo nacheinander alkalische und saure Reiniger gefördert werden, sind beständige Edelstahlpumpen erforderlich. Dafür stehen bis zur Baugröße 150-500 (maximale Förderleistung 820 m³/h) als Werkstoffe Edelstahl 1.4408 und Duplex-Stahl 1.4517 zur Verfügung.

Die genannten Varianten aus Edelstahl kommen auch in Primärprozessen zum Einsatz – und zwar dort, wo die hygienischen Anforderungen an die Pumpen beispielsweise aufgrund der hohen Temperaturen von untergeordneter Bedeutung sind: Unter anderem ist das bei der Würze- und Maischeförderung, bei Blanchier-Prozessen und beim Fördern heißer Öle der Fall.

Bei variablen Fördermengen bieten die frequenzgeregelten Varianten NKE bzw. NBE mit dem vom Anbieter selbst entwickelten MGE-Hocheffizienzmotor mit integriertem Frequenzumformer (Energieeffizienz-Klassifizierung IE3 standardmäßig bis 22 kW verfügbar; IE4 bis 2,2 kW) durch das automatische Anpassen der Drehzahl in Kombination mit einer betriebsspezifischen Laufraddimensionierung erhebliche Einsparmöglichkeiten.

Für Leistungen über 22 kW können externe Frequenzumrichter eingesetzt werden (Baureihe CUE für Pumpenantriebe bis 250 kW). Mit einem entsprechenden Sensor ausgestattet, bieten die Pumpen diverse Regelungsarten (Konstantdruck, konstante Temperatur, konstanter Förderstrom, Differenztemperatur, Differenzdruck). Als elektronisch geregelte Pumpe ist ein Anschluss an die Bus-Kommunikation möglich.

NB oder NK: die Auswahlkriterien

Bei Normpumpen ist ein Austausch von Alt-Pumpen gegen moderne Technik übrigens besonders leicht, sind doch wichtige Konstruktionsmerkmale standardisiert. Die Norm legt z. B. die Hauptabmessungen so fest, dass ein Austausch gegen Normpumpen verschiedener Fabrikate ohne Änderungen an Rohrleitung und Grundplatte möglich ist. Die hydraulischen Bauteile variieren je nach Hersteller. Auch die Antriebstechnik – Standardmotor oder drehzahlregelbarer Hocheffizienzmotor - und die in der Steuerung hinterlegten Funktionalitäten sind herstellerspezifisch und können die für den Betreiber wichtigen Lebenszykluskosten maßgeblich beeinflussen.

Die Vorgaben an eine Normpumpe sind international definiert:

- EN 733 (DIN 24255) gilt für Kreiselpumpen mit axialem Saugstutzen, die auch als Wassernormpumpen mit einem Nenndruck PN = 10 bar bekannt sind,

- EN 22858 (ISO 2858) gilt für Kreiselpumpen, die auch als Chemienormpumpen mit einem Nenndruck PN = 16 bar bekannt sind.

Was sind die Entscheidungskriterien, wann sollte sich der Betreiber für eine Normpumpe, wann für eine Blockpumpe entscheiden?

Die Hydraulik beider Pumpen ist gleich, in der Leistungsfähigkeit unterscheiden sich die beiden Pumpentypen also nicht. Der Hauptunterschied einer Blockpumpe im Vergleich zur Normpumpe ist, dass die Blockpumpe wegen der fehlenden Kupplung kompakter baut und deshalb weniger Einbauraum benötigt. Dafür ist die Normpumpe einfacher zu warten und zu reparieren, insbesondere wenn sie mit einer Ausbaukupplung ausgerüstet ist (siehe unten).

Generell ist eine Blockpumpe leichter, auch die Investitionskosten sind deutlich niedriger als bei einer Normpumpe - das liegt daran, dass eine Normpumpe mehr Bauteile aufweist als eine Blockpumpe.

In der Praxis wird eine Blockpumpe ab Leistungen von 200 kW an ihre Grenzen stoßen - nicht an eine Leistungsgrenze, sondern an eine Handling-Grenze: ab dieser Größe ist ganz einfach das Gewicht von Pumpe plus Motor zu groß, um beide zusammen zu bewegen.

Die Montage einer direkt gekuppelten Blockpumpe ist einfacher, entfällt doch die Montage auf der Grundplatte und das Ausrichten der Pumpen- auf die Motorwelle. Auch hier gibt es unterschiedliche Konstruktionen: Auf dem Markt kommen häufig Blockpumpen mit Schalenkupplungen zum Einsatz, die jedoch über eine geringe Wellensteifigkeit verfügen. Grundfos verwendet daher Hülsenkupplungen, bei denen die Motorwelle direkt in die Pumpenwelle eingesteckt wird. Das gemeinsame Auswuchten von Welle und Laufrad ermöglicht eine hohe Laufruhe und Lebensdauer.

Bei Normpumpen müssen hingegen Motor- und Pumpenwelle getrennt ausgewuchtet werden. Grundfos bietet eine Inbetriebnahme durch exakte Laserausrichtung an. Mit modernsten laseroptischen Messgeräten wird die optimale Position der Pumpen ermittelt. Warum ist das so wichtig? Durch die Montage auf Sockel, Platten oder Fundamente erhalten Normpumpen leicht eine Unwucht, die zu erhöhtem Verschleiß führt. Die Folgen sind erhöhter Energieverbrauch, Verminderung der Leistung sowie langfristig kapitale Pumpendefekte wie z.B. Lager-, Gleitringdichtungs- oder Kupplungsschäden.

Vor diesem Hintergrund (Ausrichtfehler) empfiehlt sich bei Normpumpen in jedem Fall, eine per Ausbaukupplung vom Motor trennbare Pumpe einzusetzen. Der Vorteil: Bei einer notwendigen Wartung oder Reparatur an der Pumpe bzw. an der Dichtung bleibt der Motor auf der Motorhalterung montiert. Das Ausbaustück kann ohne Demontage des Motors entnommen werden. Anschließend verbleibt ausreichend Platz, um die gesamte Wellen-Laufrad-Einheit aus dem Pumpengehäuse zu entnehmen und später, nach der Wartung, wieder zu montieren. Diese Arbeiten können auch von einem Monteur alleine ausgeführt werden. Ein erneutes Ausrichten von Pumpenwelle und Antrieb ist durch die Verwendung von Ausbaukupplungen unnötig – das reduziert die Kosten für Stillstandszeiten.

Isolutions: Systemlösungen im Blick

Die Standards bei Norm- und Blockpumpen (Hauptabmessungen, konstruktive Details) erleichtern den Austausch von Pumpen unterschiedlicher Hersteller. Entscheidend für den Betreiber einer Getränkeproduktion sind dann die in der Pumpe bzw. deren Antriebstechnik hinterlegten Funktionalitäten – hier unterscheiden sich die Angebote der Hersteller gewaltig.

Eine effiziente Nutzung der vorhandenen Ressourcen erfordert, dass die Pumpen, Steuerungen, Dosier- und Desinfektionslösungen sowie das Druckmanagement optimal aufeinander abgestimmt sind. Das ist der Ansatz von Grundfos für das Isolutions-Konzept.

Isolutions sind integrierte Lösungen und flexible modulare Systeme, bestehend aus Pumpen und deren Antriebstechnik, Steuerungs- und Sicherungsmodulen sowie Mess- und Datenübertragungseinheiten. Zusammen mit in Mikroprozessoren des Antriebs hinterlegten spezifischen Algorithmen bieten Isolutions dem Anwender die gewünschte Funktionalität.

Fazit: Für alle Pumpen in der Beverage-Industrie gilt: Die Nutzung von Isolutions-Lösungen inklusive eines Frequenzumformers zur Regelung der Drehzahl ist mit Blick auf die Kosten (Energieeffizienz, Wartungskosten, Standzeit) ebenso empfehlenswert wie aus produktionstechnischen Gründen (Automatisierungsmöglichkeiten, Unterstützung des optimalen Prozessablaufs, Vermeidung eines unerwünschten Wärmeeintrags, Produktschonung). In Kombination mit leistungsfähigen Norm- bzw. Blockpumpen steht dem Betreiber für jede Applikation im Unternehmen ein passendes Pumpensystem zur Verfügung.