ACHEMA-Trendbericht: Rotating Equipment – Verfügbarkeit und Energiekosten haben Priorität

Das Nachrüsten eines Frequenzumrichters amortisiert sich oft schon nach wenigen Monaten. Auf der ACHEMA 2009, die vom 11. bis 15. Mai in Frankfurt am Main stattfindet, werden die Hersteller von Pumpen, Armaturen und Kompressoren einmal mehr das zahlenmäßig größte Ausstellerkontingent aufbieten. Das sind rund 950 der 4.000 erwarteten Aussteller. Dabei wird sowohl bei ihnen als auch bei den 180.000 erwarteten Besuchern aus der ganzen Welt die Energieeffizienz zum wiederholten Male im Mittelpunkt stehen. Höchste Priorität haben zudem Lösungen, die die Verfügbarkeit verbessern.

Unter dem Eindruck rasant wachsender Energiekosten wird das ‚Rotating Equipment‘ (Pumpen, Kompressoren, Lüfter usw.) immer stärker mit elektronischen Bauteilen und Sensorik ausgerüstet. Insbesondere das klassische Maschinenbau-Produkt ‚Pumpe‘ hat sich zum mechatronischen System entwickelt. Bei Bedarf kann die in den Mikrochips der Steuerung hinterlegte Software kundenspezifisch und anwendungsorientiert modifiziert werden.

Ein Beispiel: Während in der Regel der Frequenzumformer dazu dient, die Drehzahl einer Pumpe zu reduzieren – um den Förderstrom bzw. den Förderdruck an den tatsächlichen Bedarf anzupassen und um dabei Energie einzusparen – erhöht der dänische Pumpenhersteller Grundfos bei Bedarf die Drehzahl. Durch die per Software ermöglichte übersynchrone Betriebsweise des Motors erreichen die Pumpen erstaunliche 5800 min-1. Mit dieser hohen Drehzahl werden auch kleine Aggregate sehr leistungsfähig (zur Erinnerung: gemäß Affinitätsgesetz bringt eine doppelt so hohe Drehzahl den vierfachen Förderdruck) und der Anlagenbauer spart Platz.

Der Dortmunder Pumpenhersteller Wilo SE geht neue Wege und verkündet einen Paradigmenwechsel in der Heiztechnik: Dort soll künftig keine zentrale Pumpe mehr installiert sein, sondern an jedem Heizkörper eine dezentrale Minipumpe sitzen. Der Einsatz dezentraler Kleinstpumpen könnte in weiteren Einsatzgebieten ein spannendes Thema werden. Die Pfälzer KSB AG entdeckt ebenfalls die kleinen Dimensionen. Sie kümmert sich um den Bedarf der Mikroverfahrenstechnik an Prozess-Kreiselpumpen sehr kleiner Fördervolumina bis zu wenigen Millilitern pro Stunde.

Auf der anderen Seite wachsen die Leistungsanforderungen an Aggregate, die in Großkraftwerken und World-scale-Anlagen zur Produktion von Basis-Chemikalien eingesetzt werden. Die Sulzer AG (Winterthur, Schweiz) beispielsweise hat Speisewasserpumpen im Programm, die mit schier unvorstellbaren 50-MW-Antrieben arbeiten!

Funktion und Verfügbarkeit sind entscheidend

Egal ob Mini oder Maxi, Betreiber achten besonders auf drei Dinge: Dass das ‚Rotating Equipment’ für die Aufgabenstellung entsprechend ausgelegt ist, eine hohe Verfügbarkeit aufweist und die Kosten dafür so gering wie möglich bleiben.

Wie der einzelne Hersteller alle Forderungen zugleich unter einen Hut bringt, bleibt zunächst einmal ihm überlassen. Nur sollte der Lösungsansatz nicht allzu exotisch sein. Anwender in der chemischen und noch stärker in der pharmazeutischen Industrie sind bei der Auswahl zentral wichtiger Komponenten – und dazu zählen Pumpen und Kompressoren auf jeden Fall – eher konservativ. Praxisbewährte Referenzen sind ihnen wichtiger als abstrakte Möglichkeiten.

Wie verbessern Hersteller die Verfügbarkeit ihrer Aggregate? Neben optimierten Werkstoffen bzw. neuen Verbundpaarungen erhöhen sie die Fertigungsgüte und entwickeln immer raffiniertere Systeme der Störungsfrüherkennung. Denn Pumpen wie Kompressoren müssen in einer verfahrenstechnischen Anlage vor allem eines: Laufen. Aus Sicht des Betriebsingenieurs ist deren Verfügbarkeit entscheidend, dann erst schaut er auf andere Parameter. Weil andererseits klar ist, dass mechanisch bewegte Teile mit der Zeit verschleißen (auch dann, wenn die einzelnen Komponenten gut und langlebig ausgeführt sind) möchten Betreiber und Instandhalter Störungen am technischen Equipment möglichst frühzeitig erkennen, bevor die Verfügbarkeit beeinträchtigt wird.

Die Aufgabe lautet also: Dem Verschleiß früh genug auf die Spur zu kommen. Entscheidend ist dabei die Interpretation von Sensorsignalen.

ReMain: Reliability Centered Maintenance

Anhand welcher Signale lassen sich Störungen frühzeitig erkennen? Die Entwicklung von intelligenten Diagnosesystemen für Pumpen ist ein zentraler Gegenstand der Forschung in der Industrie und den Hochschulen. Auch der Markteintritt branchenfremder Unternehmen mit speziellen Diagnosesystemen für Pumpen zeigt, welches Marktpotenzial dahinter vermutet wird. Diese Systeme verarbeiten Signale von Schwingungs-, Druck-, Temperatur- oder Motorstromsensoren zu Informationen über den aktuellen Zustand der Pumpe und über die vorliegenden Prozessbedingungen.

Mit keinem der auf dem Markt bereits existierenden Diagnosesysteme ist jedoch eine Prognose der Restlebensdauer von kritischen Komponenten möglich. In diesem Punkt stoßen die verfügbaren Systeme und damit die vorausschauende Instandhaltung an ihre Grenzen.

Hier setzt das Projekt ReMain (Reliability Centered Maintenance) an, das die Möglichkeiten zur Prognose der Restlebensdauer einer Pumpe untersucht. Dazu werden von den acht mitwirkenden Partnern aus Industrie und Forschung und den 14 weiteren beteiligten Firmen 100 Pumpen in der Produktion von Evonik Stockhausen mit einem speziellen Sensor-Set ausgerüstet, Daten und Beobachtungen gesammelt und ausgewertet.

Denn Voraussetzung für eine erfolgreiche Umsetzung von ReMain ist eine gute Datenbasis, die eine Ableitung von Modellen ermöglicht. Die Prognosemodelle für die Ausfallursachen werden mit physikalischem Wissen aufgestellt und anschließend mit den gewonnenen Daten aus Feldversuchen empirisch und iterativ optimiert. Zusätzlich werden einzelne Ausfallmechanismen durch Zeitrafferversuche auf Prüfständen simuliert, um charakteristische Verschleißmuster zu identifizieren. Schließlich werden diese Modelle zu einem Verfahren unter Berücksichtigung von gegenseitigen Beeinflussungen kombiniert. Letzter Schritt: Das gewonnene Verfahren zur Online-Beobachtung wird beim Instandhalter implementiert und im Realbetrieb validiert. Gleichzeitig erfolgt eine Abstimmung der Instandhaltungsprozesse auf das neue Prognosewerkzeug und eine Bewertung der Wirtschaftlichkeit.

Das Potenzial ist enorm:

• Allein der Verzicht auf redundante Pumpen in der chemischen Industrie in Deutschland bedeutet eine Investitionseinsparung in Höhe von jährlich 9%, entsprechend 500 Mio. Euro.

• Vermeidung von 25% der Ausfälle. Das bedeutet eine jährliche Einsparung von über 16 Mio. Euro allein bei den 100.000 Pumpen des erweiterten Arbeitskreises von ReMain (zuzüglich der anlagenspezifisch zu beziffernden Produktionsausfallkosten!).

• Vermeidung von Umweltbelastungen durch Reinigung, Entsorgung und Freisetzung von Medien bei Havarien.

Kapitalrenditen bis zu 50%

Die Kampagne „Energieeffiziente Systeme in Industrie und Gewerbe“, die von der Deutschen Energie-Agentur GmbH (dena) und dem Fachverband Pumpen und Systeme des VDMA (Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau e. V.) entwickelt wurde, unterstützt beratungswillige Unternehmen mit konkreten Vor-Ort-Analysen. Mehr als 50 Unternehmen, unter anderem aus der Chemie- und Pharma-Industrie, haben auf der Basis eingehender Expertenberatungen ihre Pumpensysteme energetisch optimiert – häufig mit erstaunlichen Ergebnissen.

Demnach erreichen energieeffiziente Pumpensysteme Kapitalrenditen bis zu 50%. Das sind in der Tat schier unglaubliche Ergebnisse, die im Rahmen der von der dena und den Unternehmen E.ON Energie AG, EnBW AG, RWE Energy AG und Vattenfall Europe AG getragenen Initiative EnergieEffizienz zu Tage gefördert werden.

Ein Beispiel aus den bereits realisierten Beratungsprojekten: Die Unilever Deutschland GmbH produziert im Werk Mannheim Seifenprodukte. Von den rund 200 Pumpen sind die meisten als Prozess- und Zirkulationspumpen im Einsatz. Im Fokus der Energieanalyse stand die Optimierung der Prozesswasser- und Zirkulationspumpen sowie der Rückkühlanlagen.

Die Analyse ergab, dass alle Pumpen in den Rückkühlanlagen in ihrem Durchfluss mit druckseitigen Klappen eingedrosselt waren. Dies hatte zur Folge, dass die Pumpen aufgrund ihres Kennlinienbereichs mit niedrigem Wirkungsgrad betrieben wurden. Damit ist ein erheblicher Energieverbrauch verbunden. Weiterhin wurden die Pumpen an bzw. über ihrer entsprechenden Nennleistung betrieben, was zu einer verkürzten Lebensdauer führt.

Ergebnis der Analyse: Identifiziert wurde ein Einsparpotenzial von 925.000 kWh (das sind 37% weniger als der Ist-Verbrauch vor den Maßnahmen) – umgerechnet bringt das eine Kosteneinsparung von 74.000 Euro pro Jahr! Dazu mussten die Verantwortlichen bei Unilever 295.000 Euro investieren, die sich in vier Jahren amortisiert haben werden (dynamisierte Kapitalrendite: 21,4%).

Das Beispiel Unilever zeigt einmal mehr: Das Anpassen an die momentan benötigte Pumpenleistung erfolgt in bestehenden Pumpensystemen oft noch mit Hilfe konventioneller Stellmethoden wie Drosselventilen oder Bypassleitungen, was teilweise zu sehr hohen Energieverlusten führt. Kein Wunder, benötigt doch ein drosselgeregeltes Pumpensystem bei einer Fördermenge von 60% der Nennfördermenge immer noch 90% der elektrischen Nennleistung. Bei gleicher Fördermenge von 60% senkt eine drehzahlgeregelte Pumpe den Stromverbrauch auf unter 30%!

Zudem verlängert die energieeffiziente Regelung von Pumpensystemen auch deren Lebensdauer: Durch das stets niedrige Drehzahlniveau im Teillastbetrieb werden mechanische Komponenten wie Welle, Lager und Dichtungen weniger beansprucht. Und: Frequenzumrichter starten und stoppen sanft. Damit wird der gesamte Antriebsstrang geschont und das Pumpensystem mechanisch geringer beansprucht. Da bei energieoptimierten Pumpensystemen weniger Verschleißteile erneuert werden müssen, verlängern sich die Intervalle zwischen den Instandhaltungsarbeiten. Damit sinken nicht nur die Energiekosten, sondern auch die Aufwendungen für die Instandhaltung.

Die Ergebnisse der Beratungen zeigen, dass sich eine Energieeffizienzsteigerung sowohl für kleine und mittlere, als auch für große Unternehmen wirtschaftlich auszahlt – und das branchenunabhängig.

Neue Technologien fordern Kompressorenhersteller

Die Kompressoren-Industrie steht einer Reihe von anwendungstechnischen Herausforderungen gegenüber. Im Bereich der Stromerzeugung aus fossilen Rohstoffen gibt es z. B. noch ungelöste Fragen hinsichtlich des Einsatzes von Kompressoren bei der Abspaltung von CO2. Auch bei der Entwicklung von Verfahren zur Nutzung regenerativer Energien spielen Kompressoren oder Vakuumpumpen eine immer größere Rolle. Eine Herausforderung für die Kompressoren-Industrie ist die Fermentierung von Bio(Erd)gas, wobei Kohlendioxid, Wasser und Schwefelwasserstoff entstehen. Speziell durch den Schwefelwasserstoff im Biogas kommt es zu einem stärkeren Verschleiß der hier eingesetzten Kompressoren.

Wie bei Pumpen gilt: Fragen der Energie- und Kosteneffizienz beim Betrieb von Druckluftanlagen sind ein Dauerbrenner, dem Anwender bieten sich hier noch immer gewaltige Einsparpotenziale. Das weitaus größte Potenzial, Druckluftkosten zu senken, sehen Fachleute darin, drehzahlgeregelte Kompressoren einzusetzen und Druckluft-Management-Systeme zu installieren, die mehrere Kompressoren nach vorgegebenen Stromsparvorgaben regeln. Solche Systeme haben nahezu alle bedeutenden Kompressoren-Anbieter im Programm.

Eine weitere Möglichkeit des Energiesparens bei der Druckluftversorgung betrifft das Aufspüren von Leckagen, was heute auch im Sinne des Condition Monitoring von Druckluftnetzen erfolgt und mit neuartigen Sensoren umgesetzt werden kann. Dabei kann es sich außerdem lohnen, den Druck im Netz abzusenken und auf unnötige Reserven zu verzichten.

Produkt-Highlights sind beispielsweise Schraubenkompressoren mit reduzierter Leistungs-aufnahme bei gesteigerter Druckluftmenge sowie neue Kompressoren mit bis zu 60% preiswerterer Luftkühlung anstatt Wasserkühlung.

Die anerkannten Vorteile des Kolbenkompressors, wie der hohe Wirkungsgrad bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen, die vergleichsweise gute Regelbarkeit und vieles andere mehr haben zu einer Renaissance dieses Maschinentyps geführt.

EFF1, EFF2, EFF3

Wie bei elektrischen Haushaltsgeräten erleichtern EU-Wirkungsgradklassen auch bei Elektromotoren die Auswahl. Es werden drei Klassen (EFF1, EFF2, EFF3) unterschieden, wobei die hocheffizienten Motoren mit der Wirkungsgradklasse EFF 1 gekennzeichnet und bevorzugt einzusetzen sind.

Das Deutsche Kupferinstitut rechnet den Vorteil so vor: Ein 4-poliger 30-kW-Motor treibt bei Volllast für 8000 Stunden im Jahr eine Kühlwasserpumpe an. Der Strompreis betrage 8 Cent/kWh, und die Wirkungsgrade des Hochwirkungsgradmotors und des Standardmotors seien 93,2% bzw. 91,4%. Der Unterschied hört sich nicht so beeindruckend an. Doch beträgt die jährliche Energiekosten-Ersparnis = 8000 * 30 * 100 % * 0,08 * (1/91,4 - 1/93,2) = 405 Euro. Bei einem typischen Preis von 1650 Euro für einen EFF1-Motor im Vergleich zu 1300 Euro für einen Standardmotor ergibt sich eine Amortisationszeit von nur 9,5 Monaten. Der Einsatz von Motoren der Hocheffizienzklasse EFF1 macht sich also beeindruckend schnell bezahlt!

Solche Motoren empfehlen sich auch wegen ihrer geringen Geräusch-Emissionen: Das Motorengeräusch (und damit ein großer Teil des Pumpengeräusches überhaupt) wird nämlich hauptsächlich durch den Motorlüfter verursacht. EFF1-Motoren benötigen aufgrund des höheren Wirkungsgrades und der deutlich geringeren Abgabe von Verlustwärme weniger Luft zur Kühlung, so dass sie meist mit kleineren und damit leiseren Lüftern auskommen. Die geringere Wärmeabgabe schont zudem die isolierten Kupferdrähte der Statorwicklung und verlängert deren Lebensdauer. Eine niedrige Betriebstemperatur erhöht darüber hinaus die Lebensdauer der Motor-Lager (die Standzeit der Lagerschmierung ist stark temperaturabhängig). Man sieht: Maßnahmen zur Energieeffizienz wirken sich sogar positiv auf die Verfügbarkeit eines Pumpen- oder Kompressorensystems aus!

Attraktiver Markt für ‚Leere Räume‘

Der Einsatz von Vakuum zählt zu den klassischen Querschnittstechnologien. Mit Vakuum wird in Industrie und Gewerbe verpackt, getrocknet, gesaugt und positioniert. Manche verfahrenstechnische Prozesse laufen unter Vakuum ab, weil ein geringer Druck bei temperaturempfindlichen Produkten von Vorteil ist. Und in einer Vakuumkolonne ist selbst das Auftrennen azeotroper Gemische möglich.

Zur besseren Übersicht teilt die Branche ‚Vakuumtechnik‘ in vier Druckbereiche ein:

• Grobvakuum: von 103 bis 1 mbar (z. B. für die Vakuumverpackung)

• Feinvakuum: von 1 bis 10–3 mbar (z. B. zur dekorativen Beschichtung)

• Hochvakuum: von 10–3 bis 10–7 mbar (z. B. für Dünnschichtsolaranlagen und für Geräte zur Umweltanalyse)

• Ultrahochvakuum: von 10–7 bis 10–12 mbar (z. B. für die Weltraumsimulation oder wissen-schaftliche Forschung).

Der bedeutendste Anwendungsbereich der Vakuumtechnik ist mit einem Anteil von rund 40% die Halbleiterindustrie. Die Chiphersteller arbeiten im Hochvakuumbereich zwischen 10-3 und 10-7 mbar. Nur in dieser reinen Atmosphäre können bei der Dotierung hundert¬prozentige Schaltkreise hergestellt werden.

Zu den relativ neuen Anwendern zählt die derzeit international boomende Solarbranche mit ihrem Hunger nach Wafern, dem Trägermaterial für die Modulproduktion. Der Bereich der Oberflächenbeschichtung und -veredelung hat in der Vakuumtechnik bislang einen Anteil von knapp 9%.

Die Produktion ‚Leerer Räume‘ bleibt attraktiv, der Markt für Vakuumkomponenten – weltweit sind das etwa 4,5 Mrd. US-$ – wächst Jahr für Jahr. Nahezu die Hälfte dieses Marktvolumens liegt in Asien.

Armaturen: Safety Integrity Levels (SIL)

Computational Fluid Dynamics als Mittel zur schnelleren und integrierten Anlagenplanung, die Einbindung aller Anlagenteile in automatische Regel- und Steuerungssysteme, die Auswahl von Komponenten auf Basis von Lebenszykluskosten – auch an den Armaturen gehen die großen Trends des Anlagenbaus nicht spurlos vorüber. Dabei stellen sie insofern besondere Anforderungen an die Planer und Entscheider, als viele Parameter wie etwa die Lebenszykluskosten vom Einsatz der Armatur im Gesamtkontext der Anlage abhängig sind.

Ähnliches gilt für die zur Zeit heftig diskutierten Sicherheitsstandards für Armaturen. Vor allem mit dem Standard IEC/DIN EN 61508 (Funktionale Sicherheit sicherheitsbezogener elektrischer/programmierbarer elektronischer Systeme) werden die Anforderungen an Sicherheitssysteme international definiert. In diesem Regelwerk für ‚Funktionale Sicherheit‘ sind die Anforderungen in Safety Integrity Levels (Sicherheitsstufen 1-4) eingeteilt. Geräte (z. B. Sensoren oder Steuerungen) erhalten in diesem Zusammenhang gemäß der einschlägigen Normen eine entsprechende SIL-Einstufung.

Unklarheit herrscht unter Herstellern, aber auch Anlagenbetreibern sowie den so genannten ‚Benannten Stellen‘ noch hinsichtlich der Relevanz dieses internationalen Sicherheitsschemas für Armaturen und Armaturenantriebe. Da die Ausfallraten von Armaturen sehr stark vom konkreten Einsatz abhängen, reicht es nicht, entsprechende Kennzahlen isoliert zu ermitteln. Um die Unsicherheit zur konkreten Betroffenheit der Armaturen- und Armaturenantriebsbauarten auszuräumen, hat der VDMA Fachverband Armaturen im November 2008 einen Leitfaden zum Anwendungsbereich dieses technischen Standards herausgegeben. Neben einer Hilfestellung zum Geltungsbereich der DIN EN 61508 enthält der Leitfaden auch Hinweise dazu, wie entsprechende Kennzahlen für Armaturen ermittelt werden können.

Fazit:

Weil Energie immer teurer wird, ist die Installation moderner Motoren und elektronischer Antriebsregelungen für das gesamte Rotating Equipment im Unternehmen (Pumpen, Kompressoren, Lüfter usw.) eine Investition mit attraktiven Kapitalrenditen. Technologien zur Störungsfrüherkennung wie auch zur Prognose der Restlebensdauer sind für den Betreiber von höchstem Interesse. Auf der ACHEMA 2009 bieten nicht nur die Pumpen- und Kompressorenhersteller dafür interessante Entwicklungen an. Das Geschäft mit der Energieeffizienz und Verfügbarkeit ist auch für andere Anbieter ein attraktiver Markt.