Warum ist eine IE3-Klassifizierung für Tauchmotorpumpen nicht sinnvoll?

Aktuelle EU-Verordnungen bezüglich Pumpen und Motoren

Der weltweit steigende Energiebedarf und die Verbrennung fossiler Brennstoffe tragen zum Klimawandel ganz wesentlich bei. Um diesen Trend möglichst aufzuhalten, hat sich die EU ambitionierte Ziele zur Reduzierung der CO₂-Emissionen gestellt. Ein wichtiger Lösungsansatz ist die Senkung des Stromverbrauchs – durch Technologien mit besonders hohem Wirkungsgrad.

Als Antrieb für Kreiselpumpen in kommerziellen Anwendungen kommen überwiegend Drehstrommotoren zum Einsatz. Um den Wassertransport zu optimieren, müssen die Wirkungsgrade der Motoren und der Pumpen weiter verbessert werden. Die praktische Umsetzung steuert die EU über die Ökodesign-Richtlinie 2009/125/EG in verschiedenen Techniklosen (Lot). Ähnliche Bestrebungen gibt es auch in den USA und China.

Aktuell rechtskräftige Verordnungen

Verordnungen in Erweiterung und Überarbeitung

Tauchmotorpumpen nehmen eine Sonderrolle ein

Unter einer Tauchmotorpumpe versteht man eine Blockmaschine, bei der Pumpe und Motor eine konstruktive Einheit bilden. Für sie gelten folgende technische Besonderheiten:

• Es gibt keine genormte mechanische Schnittstelle zwischen Pumpe und Motor.
• Pumpe und Motor nutzen eine gemeinsame Lagerung.
• Der Motor ist wasserdicht und kann dauernd getaucht arbeiten (IP68).
• Das gepumpte Wasser führt die Motorabwärme ab.
• Der Hauptanwendungsbereich ist Schmutzwasser.
• Es überwiegt die Nassaufstellung mit Kupplungsfußkrümmer.

Tauchmotorpumpen unterscheiden sich deutlich von Pumpen für Tiefbrunnen, die einen genormten, wassergefüllten Sondermotor haben. Für Tauchmotoren gibt es keine gesonderten, verbindlichen Normen. Alle Hersteller wenden, soweit zutreffend, die Vorschriften der Drehstrom-Normmotoren nach IEC 60034/EN 60034 an. Für den US-Markt ist die Referenz die Norm NEMA MG1. In der Verordnung (EU) 2019/1781 hat man die Anforderungen an die umweltgerechte Gestaltung von Elektromotoren festgelegt. Die Wirkungsgradgrenzwerte basieren auf der Norm EN 60034 Teil 30. Diese EU-Richtlinie gilt explizit nicht für Motoren, die dafür ausgelegt sind, komplett in einer Flüssigkeit eingetaucht zu arbeiten (Artikel 1 (2)). In einer Studie zum Lot 30, die alle bisherigen Ausnahmen neu bewertet, hat man die Sonderrolle für die Tauchmotoren aufgrund ihres stark intermittierenden Betriebs bestätigt.

Geringes Einsparpotenzial bei Tauchmotoren

Das CO₂-Einsparpotenzial bei Tauchmotoren ist – gemessen an anderen Pumpenanwendungen – durch ihre kurzen Betriebszeiten sehr gering. Der technische Regelungsbedarf steht in keiner Relation zum möglichen Einsparpotenzial. Tauchmotoren, wie sie in den KSB-Baureihen Amarex N, Amarex KRT und Amacan Verwendung finden, sind von der EU deshalb von einer verpflichtenden Wirkungsgradklassifizierung nach IE3 ausgeschlossen. Viele nationale und internationale Hersteller verwenden trotzdem die IE3-Wirkungsgradklassifizierung als Qualitätsmaßstab für ihre Tauchmotoren – vor allem aus Marketing-Gründen. Das Ergebnis: Bei Betreibern und Planern herrscht häufig Unklarheit über die richtige energetische Einstufung der Tauchmotoren.

Für Schmutzwasserpumpen existieren im Gegensatz zu Reinwasserpumpen und Heizungsumwälzpumpen noch keine verbindlichen Regeln bezüglich des Mindestwirkungsgrads. Durch diese fehlende Regulierung und dem Streben nach minimalen Investitionskosten ist das Verbesserungspotenzial bei vielen Tauchmotorpumpen im Markt in Bezug auf die Effizienz teilweise noch erheblich. Allerdings darf man beim Bestreben nach Energieeinsparung die Betriebssicherheit der Pumpen nicht vernachlässigen. Aggregate mit hohem Wirkungsgrad, aber hoher Verstopfungsanfälligkeit sind nicht zielführend, wenn man die CO₂- Emission und die anfallenden Kosten für Service-Einsätze berücksichtigt. 

Die aktuelle Verordnung (EU) 2019/1781 und die Norm EN 60034 Teil 30 schließen Tauchmotoren explizit aus. Auch die Norm für Wirkungsgradmessungen EN 60034-2-1 enthält keine Vorschrift zum Nachweis bei Tauchmotoren. Deshalb gibt es im Sinne der CE-Konformität auch keine IE3-klassifizierten Tauchmotoren. Unter den Pumpenherstellern herrscht große Übereinstimmung darüber, dass das Einsparpotenzial bei der Auswahl einer geeigneten Hydraulik wesentlich größer ist als durch die Optimierung der Antriebsmotoren. Unterschiedliche anwendungsoptimierte Laufradformen, kundenspezifisches Abdrehen der Laufraddurchmesser und eine Anpassung der Fördermengen an die tatsächliche Abwassermenge bieten hier noch viel Luft nach oben.

Konstruktive Gegebenheiten bei Tauchmotoren beeinflussen die Effizienz

In Anbetracht der Forderungen nach energieeffizienten Tauchmotorpumpen und einer fehlenden Normung, propagieren einzelne Hersteller verschiedene Motor-Konzepte. Sie werben beispielsweise damit, Stator- und Rotorkomponenten von IE3-Standardnormmotoren aus der Großserienproduktion von Unterlieferanten zu verwenden. Solche Aussagen geben aber nur einen Hinweis auf die Verwendung hochwertiger Materialien. Ein konkreter, verbindlicher Mindestwirkungsgrad ist damit nicht verbunden. Die tatsächliche Effizienz eines Tauchmotors kann trotz Verwendung solcher Komponenten deutlich unter den IE3-Vorgaben liegen.

Dafür gibt es technisch gesehen eine Reihe von Gründen. Anders als bei einem Norm-Motor müssen die Wälzlager stärker dimensioniert sein, da sie zusätzlich hydraulische Kräfte aufnehmen müssen. Größere Lager bedeuten aber auch mehr Reibverluste. Gleitringdichtungen und Wellendichtringe bremsen den Rotor durch zusätzliche Reibung. Um die durch hydraulische Kräfte und den Wellenüberstand verursachte Wellendurchbiegung kompensieren zu können, brauchen Tauchmotoren oft einen größeren Luftspalt zwischen Stator und Rotor. Das wiederum verlangt einen höheren Magnetisierungsstrom und verursacht elektrische Verluste. Benötigt die Pumpe aufgrund ihrer Einbausituation, etwa bei Trockenaufstellung oder bei Förderung in halb ausgetauchtem Zustand, eine integrierte Kühlmittelumwälzung, schlägt das bei der Wirkungsgradbilanz ebenfalls negativ zu Buche.

Wie sich der Wirkungsgrad von Tauchmotoren ermitteln lässt

Um den Wirkungsgrad von Tauchmotoren zu ermitteln, arbeitet man häufig mit dem so genannten „Einzelverlustverfahren“. Es erfordert die geringsten technischen Modifikationen für einen Prüfaufbau und stellt eine Kombination aus Messen und Berechnen dar.

In einem separaten Leerlaufversuch ermittelt man die konstanten lastunabhängigen Verluste. Bei der eigentlichen Lastprüfung werden nur noch die elektrische Aufnahmeleistung und die Drehzahl gemessen. Aus diesen Werten berechnen die Ingenieure im Anschluss alle Verlustanteile und summieren sie zur Wirkungsgradbestimmung auf. Die EN 60034-2-1 bewertet dieses Verfahren – wegen der Vielzahl von Einflussgrößen – als nicht gut geeignet für den IE3-Nachweis. Allerdings war diese Methode jahrzehntelang anerkannter Stand der Technik für die Qualitätssicherung in der Motorenproduktion.

Das direkte Messverfahren erscheint auf den ersten Blick einfach zu sein, da nur zwei Messgeräte benötigt werden, um elektrische Aufnahmeleistung und mechanische Wellenleistung zu bestimmen. In der Realität ist der Aufwand allerdings recht hoch. Die benötigten Messgeräte müssen sehr genau sein, da man zwei nahezu gleich große Messwerte miteinander vergleichen muss.

Zur Ermittlung des Motormomentes sind teure, hochgenaue Drehmoment-Messwellen erforderlich. Diese sind sehr empfindlich gegenüber den Stoßbelastungen, die bei einem direkten Einschalten der Motoren auftreten. Deshalb benötigt man einen so genannten „Sanftanlauf“, dessen elektrotechnische Einrichtungen, bei entsprechender Motorgröße, hohe Investitionen erfordern. Erschwerend kommt hinzu, dass Tauchmotoren über keine genormten Füße, Flansche und Wellenenden verfügen.

Die mechanische Fixierung auf einem Prüfstand und Kupplung mit einer Belastungsbremse sind aufwändig. Häufig benötigt man auch eine Wasserkühlung, um die Motorwärme abzuführen. Dazu muss man in einem Wasserbassin eine abgedichtete Wellendurchführung zwischen Motoren und Bremse installieren. Alternativ kann man das Motorengehäuse auch mit einer Dusche berieseln. Die Vielzahl von Baugrößen, die es bei Abwasserpumpen gibt, würde bei der generellen Anwendung dieser Testmethode beträchtliche Investitionen und hohe laufende Kosten verursachen. Weiterhin gäbe es zumindest für größere Leistungen praktisch keine unabhängigen Prüfinstitutionen, die eine Marktüberwachung realisieren könnten. Deshalb ist auch dieses Verfahren für Tauchmotoren nur bedingt geeignet.

Der einzig vernünftige Weg: „Wire-to-Water Efficiency“

Um eine bessere Vergleichbarkeit von Pumpen für Schmutzwasseranwendungen zu ermöglichen, werden aktuell in Europa Untersuchungen zu standardisierten Tests durchgeführt, welche die Abwassertauglichkeit von Pumpen nachweisen. Außerdem arbeiten Pumpenhersteller an Vorschlägen, die von der getrennten Deklaration von Pumpen- und Motoren-Wirkungsgraden wegführen und alternativ den Gesamtwirkungsgrad, unter dem Stichwort „Wire-to-Water Efficiency“, als Vergleichskriterium vorsehen.

Anknüpfungspunkte hinsichtlich Gesamtwirkungsgrad von Pumpen gibt es bereits in der ISO 9906 von 2012 in dem Kapitel „Leistungsabnahmeprüfung für Kreiselpumpen“ oder im ANSI/HI-Standard von 11.6.2012 unter „Leistungsabnahmeprüfung für Kreiseltauchpumpen“. Diese Verfahren benötigen als Messgrößen lediglich die elektrische Leistung, Fördermenge und Förderhöhe. Sie sind ohne große Investitionen realisierbar, da man dazu nur einen Pumpenprüfstand benötigt.

Aus Kundensicht wäre die Berechnung eines Energieeffizienzindex von Pumpen gemäß ihrem typischen jährlichen Lastprofil wünschenswert. Durch die Einführung einer Energieeffizienz-Kennzeichnung könnten Endanwender und Planer verschiedene Produkte vergleichen und so die beste Pumpe für einen speziellen Anwendungsfall auswählen. Für Kunden gäbe es damit ein objektives Kriterium für den Energiebedarf einer Förderaufgabe. Und es ließe sich Transparenz in Bezug auf Effizienz einzelner Produkte untereinander herstellen.