Keramische Spalttöpfe für Magnetkupplungspumpen

Spalttöpfe sind ein zentrales Element in Magnetkupplungspumpen, wie sie beispielsweise in der chemischen Industrie sowie bei der Förderung und Verarbeitung von Öl und Gas zum Einsatz kommen. In großen Produktionsstätten werden oft mehrere Zehntausend solcher Pumpen betrieben. Entsprechend groß ist der Hebel zur Reduktion des Energieverbrauchs und gleichzeitig schädlicher Treibhausgas-Emissionen, der durch den Einsatz von Magnetkupplungspumpen mit keramischen Spalttöpfen, anstelle ihrer Pendants aus Metall entsteht – insbesondere beim Betrieb von Dauerlaufpumpen.

Im Gegensatz zu metallischen Spalttöpfen sind Spalttöpfe aus Keramik nicht magnetisierbar. Leistungsmindernde Wirbelströme können vermieden und die Energieeffizienz deutlich verbessert werden. Die Antriebsleistung einer Pumpe lässt sich so um bis zu 15 % reduzieren. Zudem entstehen durch Wirbelstromverluste zusätzlich bis zu 20 kW Wärme, die je nach Prozess und geförderten Medien ein Sicherheitsrisiko darstellen kann. Für Stoffe nahe am Siedepunkt oder explosionsgefährdete Materialien sollte ein zusätzlicher Wärmeeintrag vermieden werden. Dadurch können Gefahren durch eventuell entstehende Siedeverzüge oder Verpuffungen minimiert werden.

Das Einsparpotenzial an Energie, Treibhausgas-Emissionen und auch Kosten ist gewaltig: Fast zwei Fünftel des gesamten Stroms in Deutschland verbrauchen elektrische Antriebe in Industrie und Gewerbe. In diesen beiden Sektoren liegt deren Anteil am Stromverbrauch sogar bei circa 80 %. So berechnet etwa das Umweltbundesamt, dass allein der Einsatz energieeffizienter Pumpen rund 5 Mrd. kWh Strom einsparen kann. Gemäß der vom Umweltbundesamt zuletzt für 2019 veröffentlichten Klimabilanz entspräche dies rund 401 kt CO2. Bei einem Strompreis von 15 ct/kWh könnten die betroffenen Branchen zudem ihre Energiekosten um rund 750 Mio. Euro senken.

Für Unternehmen ergibt sich damit eine effiziente Möglichkeit, den Auflagen durch das neue europäische Klimagesetz sowie der im nationalen Klimaschutzprogramm für Deutschland festgeschriebenen CO2-Bepreisung zu begegnen. Beispielberechnungen ergeben, dass die jährliche Einsparung durch einen keramischen Spalttopf mit dem Werkstoff Zirkonoxid FZM für eine Pumpe je nach Drehzahl und Strompreis zwischen rund 2.600 und 19.600 Euro liegen kann (Annahmen: 8.000 Betriebsstunden pro Jahr, Drehzahl 1.500 oder 3.000
min-1, Strompreis zwischen 12 und 18 ct/kWh). Damit amortisieren sich die höheren Anschaffungskosten eines solchen keramischen Spalttopfs gegenüber einem metallischen Pendant allein über die eingesparten Stromkosten meist schon nach wenigen Monaten bis maximal einem halben Jahr. Die CO2-Einsparung pro Pumpe liegt mit den genannten Annahmen zwischen 13 und 68 t/a.

Überdies fördert das Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (BAFA) Investitionen in hocheffiziente Kreiselpumpen, Trockenläuferpumpen und Nassläufer-Umwälzpumpen sowie für Frequenzumrichter bei Pumpen mit variablem Volumenstrom mit 30 % des Investitionsumfangs – für KMU gilt sogar ein Maximum von 40 % bei einer maximalen Fördersumme von 200.000 Euro.

Zu diesen Kosten- und Umweltvorteilen kommen weitere, technische Vorzüge keramischer Spalttöpfe: Korrosionsbeständigkeit, hohe mechanische Festigkeit, hohe Bruchzähigkeit, Verschleißfestigkeit und niedrige Wärmeleitung. Der Temperaturbereich der FZM-Keramik von -200 bis 450 °C ermöglicht deren Einsatz sowohl in Kryoanwendungen wie zum Beispiel in der Impfstoffherstellung als auch in sehr heißen Anwendungen wie dem Pumpen von Ölen nahe dem Siedepunkt. Gemeinsam mit Anwendern entwickelt beispielsweise Kyocera speziell auf die jeweilige Anforderung zugeschnittene keramische Bauteile. Auch bestehende Pumpen lassen sich ohne großen Aufwand auf die keramischen Spalttöpfe umrüsten.