Hochdruckpumpen für Umkehrosmose-Applikationen

APP-Pumpen gehören zur Verdrängerpumpenfamilie und verwenden die Axialkolbentechnologie, die nach einem grundlegend anderen Prinzip als Kreiselpumpen arbeitet. Bei einer APP-Pumpe wird der Flüssigkeitsstrom hauptsächlich durch Verdrängung und Drehzahl bestimmt, während der Druck entsprechend dem Systembedarf erzeugt wird. Dieses Funktionsprinzip in Kombination mit geringen internen Leckagen und geringen hydraulischen und mechanischen Verlusten ermöglicht es APP-Pumpen, einen hohen Pumpenwirkungsgrad zu erreichen 

APP-Pumpen erreichen nicht nur einen höheren Spitzenwirkungsgrad, sondern halten auch unter unterschiedlichen Bedingungen einen gleichbleibend hohen Wirkungsgrad aufrecht, indem sie Druck und Flüssigkeitsstrom entkoppeln. Dies trägt dazu bei, konstruktive Energieverluste zu reduzieren und die SEC- und Betriebskosten im Laufe der Zeit zu senken.

Bei Zentrifugalpumpen sind Druck und Flüssigkeitsstrom über die Pumpenkurve miteinander verbunden, und der maximale Wirkungsgrad wird nur um den Best Efficiency Point (BEP) der Pumpe erreicht.

Pumpen werden häufig an einem bestimmten Betriebspunkt, in der Regel am oder nahe dem besten Wirkungsgrad (Best Efficiency Point, BEP), ausgewählt und verglichen. Umkehrosmoseanlagen arbeiten jedoch selten kontinuierlich an genau diesem Punkt. Salzgehalt, Temperatur, Ablagerungen und Alterung der Membran sowie die Produktionsanforderungen verändern im Laufe der Zeit den erforderlichen Druck und Flüssigkeitsstrom.

Die Pumpenleistung sollte daher über den gesamten erwarteten Betriebsbereich und das jährliche Betriebsprofil hinweg bewertet werden. Da APP-Pumpen bei sich ändernden Betriebsbedingungen einen konstant hohen Wirkungsgrad aufrechterhalten, können ihre tatsächlichen Energieeinsparungen im Vergleich zu Zentrifugalpumpen erheblich höher sein, als ein Einpunktvergleich vermuten lässt.

Die zentrale Frage ist nicht nur „Was ist die maximale Effizienz?“ aber „Wie viel Energie wird die Pumpe unter tatsächlichen Betriebsbedingungen während der gesamten Lebensdauer der Anlage verbrauchen?“

Die meisten SWRO-Anlagen weltweit arbeiten unter ~50.000 m³/Tag und erleben:

• Größere Lastvariabilität
• Häufigere Staging und Turndown
• Modulare Zugarchitekturen
• Platzbeschränkungen
• Breitere Arbeitsbereiche

Unter diesen Bedingungen ist die Aufrechterhaltung eines gleichbleibend hohen Wirkungsgrads unter unterschiedlichen Betriebsbedingungen der Schlüssel zur Minimierung des spezifischen Energieverbrauchs (SEC). Gleichzeitig vereinfachen die kompakte Größenbestimmung, kalibrierte Ausführung und die flexible Installation der APP-Pumpen den Einbau in modulare Systeme und platzbegrenzte Anlagen.

APP-Pumpen sind für Hochdruck-Membranprozesse optimiert, bei denen stabiler Druck, hoher Wirkungsgrad und Betriebsflexibilität entscheidend sind.

Typische Applikationen:

• Landgestützte SWRO-Anlagen bis zu 50.000 m3/Tag
• Schiffs-, Container- und dezentrale SWRO-Anlagen
• Umkehrosmosesysteme für die Wiederverwendung von Wasser und Abwasser, einschließlich Zero Liquid Discharge (ZLD)- und Minimum Liquid Discharge (MLD)-Prozessen
• Solekonzentration und -verwertung
• Mehrstufige RO-Systeme

Ihre Fähigkeit, einen hohen Wirkungsgrad über einen breiten Betriebsbereich aufrechtzuerhalten, macht APP besonders effektiv in Applikationen, in denen Salzgehalt, Rückgewinnungsraten und Produktionsanforderungen im Laufe der Zeit variieren.

Die Gesamtbetriebskosten (TCO) berücksichtigen sowohl die Anfangsinvestition als auch die Betriebskosten über die typische Lebensdauer der Anlage von 20–30 Jahren.

Hochdruckpumpen machen nur ca. 4–5 % der Investitionskosten einer SWRO-Anlage und ca. 1 % der Gesamtbetriebskosten über die gesamte Lebensdauer aus. Sie machen jedoch rund 70 % des Energieverbrauchs der Anlage aus, was 30–40 % der Gesamtbetriebskosten der Anlage ausmachen kann.

Selbst kleine Unterschiede im Wirkungsgrad von Hochdruckpumpen können sich in erheblichen Unterschieden beim Energieverbrauch und den Betriebskosten über die Lebensdauer der Anlage niederschlagen. Um die Gesamtbetriebskosten zu minimieren und gleichzeitig die Dekarbonisierungs- und ESG-Ziele zu unterstützen, ist es daher entscheidend, die richtige Hochdruckpumpentechnologie auszuwählen.

APP-Pumpen verwenden einen kompakten, direkt angetriebenen und wassergeschmierten Aufbau, wodurch Getriebe, Riemen und externe Ölschmiersysteme entfallen. Ihr vorhersehbarer Servicebedarf und lange Serviceintervalle unterstützen einen zuverlässigen Betrieb und geplante Wartungsarbeiten.

Wartungsarbeiten können von geschultem Anlagenpersonal direkt an der Anlage durchgeführt werden, ohne die Pumpe an ein externes Servicezentrum zu schicken. Danfoss kann die erforderlichen Schulungen anbieten, die es den Betreibern ermöglichen, Wartungsarbeiten entsprechend den Produktionsanforderungen zu planen, Ausfallzeiten zu regeln und die Verfügbarkeit der Anlage zu maximieren.

APP-Pumpen verwenden auch Standard-Niederspannungsmotoren, die weit verbreitet sind und im Allgemeinen einfacher zu warten sind als Mittelspannungsmotoren. Sie erfordern weniger komplexe elektrische Geräte und Wartungsarbeiten, was den Betrieb der Anlage und die Ersatzteilverwaltung weiter vereinfacht.

Diese Einfachheit trägt zur Verbesserung der Betriebszuverlässigkeit bei, was insbesondere bei dezentralen und geschäftskritischen Wasseraufbereitungsapplikationen Vorteile bietet.

APP-Pumpen kombinieren hohe Leistungsdichte mit einem kompakten, leichten Aufbau. Die meisten Modelle können horizontal oder vertikal installiert und parallel betrieben werden, um die Anforderungen an den Flüssigkeitsstrom größerer Umkehrosmose-Züge zu erfüllen. Ihre relativ kleine Stellfläche erleichtert die Integration überall dort, wo Platz knapp ist:

• Meeresentsalzungsanlagen
• Containerisierte RO-Systeme
• Mobile und dezentrale Behandlungseinheiten
• Platzbeschränkte Anlagenlayouts

Ihre kompakte Größe vereinfacht auch Beförderung, Handhabung, Einbau und Wartung vor Ort im Vergleich zu größeren zentralisierten Pumpen.

APP-Pumpen sind von Natur aus für den modularen Parallelbetrieb geeignet. Mehrere Pumpen können in einem Zug zusammenarbeiten, um den erforderlichen Flüssigkeitsstrom bereitzustellen, ohne auf eine große zentrale Pumpe angewiesen zu sein. 

Im Gegensatz zu herkömmlichen Redundanzarchitekturen für die Betriebsbereitschaft verteilen APP-Pumpen-Arrays die Kapazität auf mehrere Pumpen. Wenn eine Pumpe für Wartungsarbeiten außer Betrieb genommen wird oder eine Störung auftritt, kann das System mit reduzierter Kapazität weiter Wasser produzieren, anstatt den gesamten Zug abzuschalten.

Parallele Arrays können auch an verschiedene Produktions- und Redundanzstrategien angepasst werden, indem Pumpen mit fester Drehzahl und frequenzgeregelte Pumpen kombiniert oder einzelne Einheiten je nach Bedarf ein- und ausgeschaltet werden.

Diese Architektur bietet:

• Verteilte Redundanz und reduziertes Einzelpunktausfallrisiko
• Hohe Effizienz bei wechselnden Lasten
• Modularer Turndown ohne größere Effizienzeinbußen
• Fortgesetzter Betrieb während Wartungsarbeiten
• Geringeres Ausfallrisiko und höhere Anlagenverfügbarkeit
• Unabhängige Regelung
• Vereinfachte Planung von Wartungsarbeiten
• Einfachere Skalierbarkeit und zukünftige Kapazitätserweiterung

Diese Architektur ist besonders wertvoll in SWRO-, Wasserwiederverwendungs- und modularen Membransystemen, in denen Betriebsbedingungen und Produktionsanforderungen im Laufe der Zeit variieren.

Nein. In einer parallelen APP-Konfiguration kann eine Pumpe mit einem Niederspannungs-Frequenzumrichter betrieben werden, während die übrigen Pumpen bei fester Drehzahl mit Softstartern oder Direktanlauf betrieben werden, sofern dies zulässig ist.

Je nach erwartetem Betriebsbereich kann der breite Bereich der Durchflussregelung einer APP eine einzelne FU-gesteuerte Einheit ermöglichen, die erforderlichen Schwankungen des Flüssigkeitsstroms auszugleichen. Wenn ein größerer Regelungsbereich erforderlich ist, kann ein zweiter Frequenzumrichter eingebaut werden. Alternativ kann das Steuerungssystem so ausgelegt und konfiguriert werden, dass es eine APP mit fester Drehzahl stoppt, während die vom Frequenzumrichter angetriebene Einheit ihre Drehzahl justiert, einstellt und den erforderlichen Flüssigkeitsstrom aufrechterhält.

Im Vergleich zur Installation eines Frequenzumrichters für jede Pumpe bedeutet diese Konfiguration, dass nur ein Teil der gesamten installierten Motorleistung kontinuierlich durch Frequenzumrichter fließt. Dies kann Folgendes reduzieren:

• Installierte Frequenzumrichterkapazität und Anfangsinvestition
• Elektrische Umwandlungsverluste
• Anforderungen an Wärmeerzeugung und Kühlung
• Gesamtsystemkomplexität und Betriebskosten

Diese Vorteile werden immer relevanter, da die Anzahl der parallel betriebenen APP-Pumpen zunimmt. Die endgültige Konfiguration kann an den erforderlichen Betriebsbereich, die Redundanzphilosophie und die Regelungsstrategie der Anlage angepasst werden.

APP-Pumpen sind eine ausgereifte und weit verbreitete Technologie mit weltweit mehr als 30.000 installierten Pumpen in Hochdruck-Membransystemen. Insgesamt werden diese Einbauten geschätzt auf:

• Produzieren jährlich mehr als 2,3 Milliarden m3 Wasser
• Jährliche Einsparung von ca. 200 Mio. € Energiekosten
• Vermeiden Sie jährlich ca. 600.000 Tonnen CO₂-Emissionen im Vergleich zu herkömmlichen Hochdruckpumpensystemen

Dieses Installieren ermöglicht eine umfassende Betriebsvalidierung unter unterschiedlichen Speisewasserbedingungen, Klimabedingungen, Arbeitszyklen und Betriebsumgebungen.

Für Anlagenbesitzer und EPCs ist die installierte Basis wichtig, da sich langfristige Zuverlässigkeit, Wartungsfreundlichkeit und Lebensdauerleistung im realen Betrieb beweisen – nicht nur unter Labor- oder Pilotbedingungen.