Im Dialog mit der Anlage

  • BBA_pump unit_CIT0415.jpgBBA_pump unit_CIT0415.jpg

Auch bei Pumpen und Kompressoren bieten Automation und Vernetzung die Chance zu Produktivitätssteigerungen.

Um Prozesse effizienter gestalten zu können, bedarf es einer immer höheren Automatisierung. Diese Entwicklung im verfahrenstechnischen Anlagenbau prägt auch die Anforderungen an Pumpen, Kompressoren und Armaturen: Sie müssen sich in Automatisierungskonzepte flexibel einbinden lassen, müssen kommunikativer werden. Deshalb bieten die Hersteller zunehmend Systemlösungen oder sogar Package-Units an, die mehr leisten als die Prozesspumpe‚ der Verdichter oder das Regelventil allein bisher bot. Unverkennbar geht die Entwicklung zur dezentralen Intelligenz auf Komponentenebene. Das entlastet zum einen die zentrale Leittechnik und macht zum anderen die Anlagentechnik flexibel für Änderungen im Prozess.

Intelligent, dezentral, vernetzungsfähig
Branchenbeobachter erwarten, dass in Zukunft wesentlich mehr Intelligenz und Funktionalität in die Feldebene wandern. Der Trend zur Modularisierung von Anlagen, bei denen standardisierte Komponenten oder Anlagenteile nach dem Lego-Prinzip miteinander verbunden werden, tut ein Übriges: Wenn Komponenten je nach Anwendung flexibel miteinander kombiniert werden oder ein Austausch binnen einer Stunde gefordert wird, muss die Technik sich schnell neuen Anforderungen anpassen und in verschiedenste Systeme einbinden lassen.
Für den Komponenten-Hersteller bedeutet dies: Er muss seine Technik zur Einbindung in die zentrale Leittechnik zum einen kommunikativer machen (bspw. mit Hilfe der echtzeitfähigen Ethernet-Bus-Technologie), zum anderen muss die Komponente vor Ort per Mikroprozessor und hinterlegten Algorithmen in eigener Regie bestimmte Funktionalitäten ausführen können. Der Datenaustausch muss dazu in beide Richtungen (bidirektional) möglich sein - das ist der Kern des Industrie 4.0-Konzepts: Der Fluss von Information von der zentralen Leittechnik zur dezentralen Feld-Komponente und zwischen den Komponenten (beispielsweise zwischen Pumpe und Armatur oder zwischen Kompressor und Armatur).
Ein zusätzlicher Punkt, der für diese Vorgehensweise spricht: Die gemäß Systemansatz ausgelegte und betriebene Komponente (Pumpe/Kompressor/Armatur) arbeitet in aller Regel zuverlässiger und neigt weniger zu Störungen.

Das ist insbesondere für OEM im internationalen Geschäft ein wichtiger Aspekt - jede Störungsbeseitigung im fernen Ausland frisst schnell die Margen auf.

Brüssel treibt die Anbieter weiter an
Den ‚schlafenden Riesen‘ Energieeffizienz aufwecken und zur zweiten Säule der Energiewende machen - dies ist das Ziel des NAPE (Nationaler Aktionsplan Energieeffizienz), der am 3. Dezember 2014 vom Bundeskabinett verabschiedet wurde. Bestimmte Energieeffizienzmaßnahmen werden finanziell gefördert, verstärkt setzt NAPE auf Beratungsleistungen und Netzwerke; auf regulatorische Vorgaben verzichtet der Bund weitgehend.
Das ist bei der Ökodesign-Richtlinie anders: Auf europäischer Ebene laufen seit 2005 unter dem Begriff EuP (‚Energy using Products = energiebetriebene Produkte'; heute: ErP = Energy related Products = energieverbrauchsrelevante Produkte) Gesetzgebungsverfahren zur Reduzierung des CO2-Ausstoßes durch Minimierung des elektrischen Stromverbrauchs.
Die Motoren-Richtlinie (EG640/2009) ist ein zentraler Punkt des Ökodesigns. Sie betrifft sowohl Pumpen wie Kompressoren. Für die Hersteller bedeutete dies, sich auf Hocheffizienzmotoren und Frequenzumformer zur Drehzahlregelung zu konzentrieren. Hinzu kam später - ebenfalls als Folge entsprechender EU-Vorgaben - ein verstärkter Fokus auf den hydraulischen Wirkungsgrad von Pumpen.
Mit der seit Januar 2015 greifenden Motorenverordnung verstärkt die EU den Systemgedanken; und ist damit sozusagen ein ‚natürlicher‘ Entwicklungspartner der Hersteller geworden. Die damit verbundene komplexere Technik verschafft den Premium-Anbieter gegenüber potenziellen Wettbewerbern eine gewichtige Markteintrittsbarriere. Außerdem ist technologischer Fortschritt im Sinne höherer Energieeffizienz nur schwer nachzuahmen, so dass sich damit ein weiterer Baustein zur Bekämpfung der Produktpiraterie ergibt.

Energieeinsparung: Das große Ganze nicht übersehen
Hocheffizienzmotoren bieten gegenüber Standardmotoren je nach Nennleistung 2 - 7 % höhere Wirkungsgrade. Mit einer stets empfehlenswerten guten Pumpenauslegung (Arbeitspunkt nahe dem optimalen Betriebspunkt der Pumpe, hydraulisch korrekte Dimensionierung der Rohrleitungen) und einem vernünftigen Systemansatz inklusive Drehzahlanpassung kann man sogar 30 - 70 % Energie einsparen.
Bei allen Vorzügen eines Frequenzumrichters kann dieser jedoch auch Probleme bereiten - dann nämlich, wenn er verschleißbedingte Leistungsabfälle quasi ausreguliert, also neutralisiert. Der Betreiber merkt das häufig erst, wenn der Verschleiß zum Ausfall führt.
Keine Frage, dass die Energieeffizienz von Pumpen ein wichtiges Thema ist. Die Bedeutung relativiert sich jedoch branchen- und einsatzspezifisch. Bei einer Brunnenpumpe zum Fördern von Grundwasser im Dauereinsatz erreichen die Energiekosten durchaus 90 % der Lebenszykluskosten. Die Lebenszykluskosten einer Pumpe in einem industriellen Prozess mit hoher mechanischer Belastung werden dagegen zu 40-65 % durch die Wartungs- und Instandsetzungskosten bestimmt (Quelle: ReMain).

Bestes Kosten/Nutzen-Verhältnis durch Leckage-Minimierung
‚Druckluft effizient‘ hieß vor Jahren eine große Kampagne in Deutschland - die Blaupause zu ähnlichen Initiativen der Deutschen Energie-Agentur (dena). Und es geht immer noch ein Stück effizienter, wie eine Studie von Markus P. Rößler (TU Darmstadt, 2014) zeigt.
Demnach erreichten die Unternehmen in den Jahren 2002 bis 2012 beim Gesamtsystem ‚Druckluft‘ durchschnittlich eine Steigerung der Energieeffizienz von 5-10 %. Eine Steigerung darüber hinaus wäre technisch möglich, wird aber aus Kostengründen zumeist nicht realisiert. Insbesondere gelten der verstärkte Einsatz übergeordneter Steuerungen, die Nutzung frequenzgeregelter Antriebsmotoren, getriebeloser Antriebe und der verstärkte Einsatz von Permanentmagnetmotoren anstelle von Asynchronmotoren als relevant zur Steigerung der Energieeffizienz.
Neben der eigentlichen Drucklufterzeugung sind auch systembezogene Aspekte wichtig: Die Wärmerückgewinnung gewinnt an Bedeutung; manche Betreiber rüsten auch ältere Kompressoren mit einer Wärmerückgewinnung nach. Auch die Optimierung von Nebenaggregaten wie z. B. Trocknern rückt ins Blickfeld. Bezogen auf das Gesamtsystem bietet die Leckage-Minimierung das beste Kosten/Nutzen-Verhältnis. Daneben wird ein optimales, an die Anwendung angepasstes und möglichst niedriges Druckniveau als weitere wichtige Effizienzmaßnahme genannt. Das betriebliche Energiemanagement setzt sich bei immer mehr Unternehmen durch.
Mit Blick auf die Entwicklung in den kommenden zehn Jahren werden keine radikalen Prozessumstellungen im Bereich der Drucklufterzeugung erwartet. Der Fokus liege eher auf der Optimierung des Gesamtsystems. Die künftig vorgeschriebenen IE 3-Elektromotoren werden weitere Effizienzsteigerungen bringen. Speziell bei variablen Druckluftverbräuchen erwarten die Betreiber schnell reagierende Antriebe mit hoher Lebensdauer, die auch bei häufigem Anlauf im Start-Stopp-Betrieb zuverlässig arbeiten. Wer auf drehzahlgeregelte Kompressoren und übergeordnete Steuerungen setzt, könne seine Stromrechnung erheblich senken, so einer der Großen der Branche. Energiebedarfssenkungen von 30 oder 40 % seien keine Seltenheit.
Ölfreie Druckluft gewinnt weiter an Bedeutung, das gilt nicht nur für sensible Anwendungen wie in der Medizintechnik, der Pharma- oder Lebensmittelindustrie: Vor dem Hintergrund des sich immer weiterentwickelnden ökologischen Bewusstseins werden auch bei Standardanwendungen verstärkt ölfreie Technologien nachgefragt.
Im Zeitalter von ‚Big Data‘ und Industrie 4.0 werden die Anlagen und Anwendungen immer intelligenter und werden in die komplexe industrielle Infrastruktur eingebunden, beobachtet ein führender Hersteller. Ein weiterer Branchentrend zeigt sich im zunehmenden Wunsch der Anwender nach Komplettlösungen: Die Entwicklung zum ‚One-Stop-Shop‘ ist ungebrochen.
Das Druckluft-Contracting - der Betreiber erzeugt seine Druckluft nicht mit eigenen Kompressoren, sondern bezieht diese zu einem fest vereinbarten Preis - habe ein hohes Entwicklungspotenzial, davon ist die Branche überzeugt.

Fazit
Die digitale Vernetzung strömungstechnischer Systeme ist durch die Nutzung dezentraler Intelligenz auf Komponenteneben der konsequente Weg vom Product Approach zum System Approach. Die Verfügbarkeit von relevanten Informationen zum Prozess und zu den Ist/Soll-Werten der Pumpe, des Kompressors (und der Armatur) sichert neben der bestmöglichen Nutzung der eingesetzten Energie auch eine planbare Wartung bzw. Instandhaltung und damit eine höhere Verfügbarkeit.
Die Fähigkeiten moderner Smartphones werden dazu bereits intensiv genutzt: In erster Linie zum Abfragen und Verändern von Ist/Soll-Werten. Es wird sicher nicht mehr lange dauern, bis Wearables wie Google Glass zum Arbeitsmittel werden - der Instandhalter steht dann vor der technischen Komponente und erhält alle Arbeitsanweisungen über seinen mobilen Monitor vor dem Auge. Möglicherweise erhält er seine Anweisungen in einer Form, wie er das von seinem Avatar beim Adventure-Spiel her kennt.

Dieser Beitrag basiert auf einem Trendbericht der ­Dechema, der im Vorfeld der Achema 2015 von internationalen Fachjournalisten verfasst wurde.

 

Kontaktieren

Dechema e.V.
Theodor-Heuss-Allee 25
60486 Frankfurt/Main
Germany
Telefon: +49 69 7564 0
Telefax: +49 69 7564 272

Jetzt registrieren!

Die neusten Informationen direkt per Newsletter.

To prevent automated spam submissions leave this field empty.