Achema-Trendbericht Pumpen & Kompressoren

Pumpe wird zum cyber-physischen System

22.02.2018 Der Wettbewerb um neue Geschäftsmodelle hat in der Pumpen- und Kompressorentechnik gerade erst begonnen. Das Thema Industrie 4.0 und Lösungen rund um die digitale Transformation stehen bei den Herstellern im Mittelpunkt. Und der 3D-Druck schickt sich an, den Ersatzteilmarkt zu revolutionieren.

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Entscheider-Facts für Betreiber und Ausrüster

  • Traditionelle Pumpen und Kompressoren werden zukünftig durch Produkte mit Sensorik und integrierten Überwachungssystemen verdrängt – cyber-physische Systeme (CPS) werden zum Standard.
  • Hersteller oder Dienstleister etablieren Plattformen (Cloud), mit denen CPS über Gateways kommunizieren.
  • Mit cyber-physischen Systemen, Cloud und Datenanalyse lassen sich maßgeschneiderte Dienstleistungen generieren.

Wie kann die Prozessindustrie schneller und flexibler produzieren und dabei den Wunsch nach individuelleren Produkten erfüllen? Konventionelle Mono-Anlagen sind dafür eher nicht geeignet – sie sind die Domäne der Commodity-Produktion. „Schneller, flexibler, individueller“ braucht Anlagen auf Basis modularer Konzepte. Ziel ist es, bestimmte Grundfunktionen mit solchen Anlagen zu wiederholen, um damit die Abwicklungs- und Montagezeiten zu optimieren. Im Mittelpunkt steht die Überlegung, eine erprobte Lösung zum Standard zu erheben und zu wiederholen – sozusagen „copy & paste“ mit anschließendem „plug & play“. Das erleichtert auch die Dokumentation für die Validierung.

Modularer Anlagenbau fordert Komponenten-Hersteller heraus

Auch die Ausrüster von Schlüsselkomponenten (z. B. Kolonnen, Pumpen, Kompressoren) arbeiten an der Entwicklung von modularen Konzepten, sogenannten Skids, für Neuanlagen sowie Anlagenerweiterungen. Denn zukünftig wird der Planer bevorzugt in Funktionen – sprich: Modulen und Systemlösungen – denken. Sein Vorteil: Er muss dann nicht immer wieder alle Details von Komponenten wie des Pumpen- oder Vakuum- bzw. Verdichtersystems neu durchdenken. Wichtiger noch: Modularisierte Baugruppen machen es möglich, fertige und bewährte Lösungen in neuen Projekten wiederzuverwenden; das spart Zeit und Kosten. Aus einzelnen Bausteinen mit unterschiedlichen Funktionen lassen sich die Anlagen schnell immer wieder neu zusammenstellen, um unterschiedliche Produktionsverfahren abzubilden.

„Modulares Equipment“ zeichnet sich unter anderem dadurch aus, dass eine bestimmte Baureihe dieselben Funktionalitäten bei verschiedenen Betriebsgrößen bietet – zum Beispiel eine Pumpenserie des gleichen Typs, die verschiedene Volumenstrom- und Druckbereiche bietet. Eine wichtige Forderung dazu ist die Standardisierung der technischen Komponenten – diese erleichtert zudem auch die Qualifizierung und Validierung in den regulierten Industrien).

Der Pumpenhersteller KSB erreicht dies beispielsweise durch das Virtual Impeller Trimming – das individuelle Anpassen der Drehzahl per Smartphone. Dabei ist, anders als bei der mechanischen Anpassung des Pumpenlaufrades, kein Eingriff in den Betriebsablauf nötig. So lässt sich bei Abweichung des tatsächlichen Q / H-Punktes von den Planwerten die Energieeffizienz schnell und wirtschaftlich optimieren oder auf eine anlagenbedingte Veränderung des Arbeitspunktes reagieren. Die Individualisierung der Pumpe kann man innerhalb der Beschaffungskette viel später nach hinten schieben.

Damit einher geht natürlich auch eine Reduzierung der Varianten – das wird in Zukunft eine große Rolle bei der Pumpenauswahl spielen. Mit einer individuellen Festdrehzahl decken jetzt weniger Baugrößen den gesamten Kennfeldbereich ab, bei praktisch gleichem Wirkungsgrad und NPSH-Wert. So wird die Variantenkomplexität der Hydrauliken um mehr als 50 % reduziert, was in der Planung und Verwaltung Zeit und Kosten spart.

Zur Umsetzung modularer Funktionsblöcke sind auch mehrstufige Hochdruckpumpen (beispielsweise von Grundfos, Rheinhütte, Flowserve, Xylem) eine gute Wahl: Mit verschiedenen Baugrößen, Werkstoffausführungen und unterschiedlichen Anschluss- und Ausstattungsvarianten stehen dem Betreiber diverse Kombinationsmöglichkeiten zur Verfügung. Durch die Zahl der Förderstufen kann die Leistung der Pumpe flexibel an die gewählte Modulgröße angepasst werden; mit einem übersynchronen Betrieb des Motors kann der Anlagenbauer auch die Dimension der Pumpe beeinflussen (baut dann kompakter).

Die Modularisierung bietet zusammen mit einer weitgehenden Standardisierung die Chance zu einer Konfiguration einfacher Pumpenlösungen auf der Homepage des Herstellers: In ähnlicher Weise, wie der Planer bereits heute seine Pumpe per Konfigurator auslegen kann, ist dann auch der virtuelle Anstoß des realen Fertigungsprozesses möglich („Pumpe on demand“).

Pumpen & Kompressoren: App in die Cloud

Unter dem Eindruck wachsender Energiekosten wird das „Rotating Equipment“ immer stärker mit elektronischen Bauteilen und Sensorik ausgerüstet. Doch reicht das allein nicht aus, solche Komponenten reif für Industrie 4.0 zu machen. Nachdem Daten generiert wurden (Big Data), muss deren Analyse und Bewertung folgen (Smart Data): Sensoren liefern Daten, Mikrochips mit hinterlegter Software interpretieren sie, Stellglieder setzen Aktionen um.

Die praktische Umsetzung von Industrie 4.0 bedeutet, dass eine Anlage nicht mehr allein vom zentralen Prozessleitsystem gesteuert wird. Die Intelligenz wandert ins Feld, wo smarte Feldgeräte spezifische Funktionen ausführen, optional auch anderes technisches Equipment steuern und überwachen. Der nächste Schritt ist dann das digitale Pendant in der Cloud. Dieser digitale Zwilling kann auch auf andere Datenquellen zugreifen oder sich mit anderen digitalen Zwillingen vernetzen, z. B. als Akteur eines cyber-physischen Systems. Unabdingbar für eine Industrie-4.0-Komponente ist also die Fähigkeit zur Konnektivität und damit der Interaktivität. Der überzeugende Nutzen für den Betreiber: Anlagen werden transparent, ihre Verfügbarkeit steigt, und sie erreichen eine bessere Produktivität.

Dazu drei Beispiele: Mit der Dienstleistung „Pump Operation Check“, die KSB als App anbietet, lassen sich mit der Pumpenüberwachungseinheit „Pump Meter“ Lastprofile ermitteln, um daraus Handlungsempfehlungen zur Steigerung von Effizienz und Anlagenverfügbarkeit abzuleiten (die über das Drehzahlregelsystem „Pump Drive“ umgesetzt werden).
Grundfos bietet eine Chemicals-App an: Hintergrund ist das für Kunden aus dem Bereich Wasseraufbereitung und Chemikalien-Distribution leidige Problem, dass Gebinde beim Anschluss an Dosierpumpen verwechselt werden. Die Chemicals-App stellt sicher, dass nur zuvor über die Cloud freigegebene Gebinde von der Dosierpumpe akzeptiert werden. Mehr noch: Die App überwacht zudem den Gebindefüllstand und kann die Nachlieferung neuer Gebinde steuern.

Für den Einstieg in die Digitalisierung haben Boge Kompressoren und Aventics das Smart Pneumatic Grid aufgebaut. Über das Kommunikationsprotokoll OPC UA soll eine intelligente Vernetzung von Drucklufterzeugern und Druckluftverbrauchern gelingen, die Potenziale zum Überwachen, Steuern und Optimieren der gesamten Systemtopologie liefert. Das Smart Pneumatic Grid erfasst den Energiebedarf bis auf Einzelverbraucherebene und visualisiert ihn transparent, berichtet Aventics. Mit geringem Aufwand können aus diesen Informationen bedarfsgerechte Regelungen für die Kompressoren von Boge abgeleitet werden. Darüber hinaus zeigt das Gerät auch einen steigenden Luftverbrauch (Leckage) verbrauchergenau an.

Das Geschäftsmodell „Big Data zu Smart Data“

Smart Data bieten die Chance zu weiteren, bislang nicht verfügbaren Geschäftsmodellen: Bisher verkaufen die Hersteller faktisch Hardware, aber eigentlich die Bewegung des Mediums. Denkbar sind Konzepte, bei denen der Kunde das Fördern eines Mediums von A nach B bezahlt – also nicht mehr in die Hardware selbst investiert. Dem Hersteller fällt dann die Aufgabe zu, Förderprozesse so effizient wie möglich zu gestalten. So werden traditionelle Lösungen mit digitalem Mehrwertnutzen quasi veredelt.

Anbieter von Rotating Equipment werden zukünftig Produkte mit einem höheren Dienstleistungsanteil anbieten. Dazu hat KSB eine eigene Taskforce „Business Innovation Lab“ gegründet: In vier Teams arbeiten dort zwischen 15 und 20 interne wie externe Mitarbeiter. Sie sollen Serviceangebote auf der Basis technischer Kundendaten entwickeln, Angebote auf Internet-Plattformen ausbauen und herausfinden, wie additive Fertigungsverfahren (3D-Druck) für Ersatzteile genutzt werden können.

Hybridtechniken – das Beste aus zwei Welten

Hybridtechnologien sind derzeit in der Automobilwelt angesagter Hype – die Kombination aus Elektro- und Verbrennungsmotor gilt zumindest als gute Brückentechnologie. Auch bei Pumpen machen Hybridlösungen nun von sich reden: Beispielsweise sind einstufige Pumpen der Baureihe TPS von GEA Hilge mit dem herkömmlichen Laufrad einer normalsaugenden Kreiselpumpe ausgestattet, unterstützend ist eine Zulaufschnecke („Inducer“) vorgeschaltet. Mit dieser Hybridtechnik ist die Pumpe selbstansaugend und damit insbesondere für den Einsatz als CIP-Rücklaufpumpe und für das Fördern gashaltiger Medien geeignet – eine kostengünstige Alternative zu Seitenkanalpumpen.

Die Freistrompumpe TEO mit Hybridlaufrad von Egger verbindet die Vorteile eines halboffenen Laufrads mit denen eines Turo-Freistromrads. Die Pumpe empfiehlt sich für die Förderung von Medien mit hohen Gasanteilen bis 10 % bei großem Kugeldurchgang. Hybridkompressoren kombinieren die Vorteile von Kolbenmaschinen und Membranmaschinen. Sie spielen dann ihre besonderen Stärken aus, wenn sehr hohe Drücke von 1.500 bar und mehr zur Komprimierung von technischen Gasen und Gasgemischen ohne Ölschmierung im hochverfügbaren Betrieb gefordert sind. Gleichzeitig stellen Hybridkompressoren auch eine zukunftssichere Investition im Hinblick auf zu erwartende Umweltauflagen dar.

Um jeweils die Stärken eines jeden Verdichtungsprinzips zu nutzen, liegt eine Kombination in einem Maschinengehäuse nahe. Da es sich um das gleiche physikalische Verdichtungsprinzip handelt, können die Verdichtungskonzepte thermodynamisch problemlos kombiniert werden. Auch die verfahrenstechnisch nötigen Komponenten zwischen den Stufen (wie Kühler, Behälter, Abscheider) haben für beide Verdichtungsprinzipien keine unterschiedlichen Anforderungen. So ist die Nutzung von Kolbenkompressor-Stufen als Niederdruckverdichtung und von Membranstufen als Hochdruckverdichtung eine optimale Wahl, um Gase ungeschmiert auf Hochdruck zu verdichten, so Neumann & Esser (NEA Group).

Ressourcen-Effizienz: Retrofit macht schneller fit

Erosionskorrosion ist ein Werkstoffabtrag infolge von mechanischem Oberflächenabtrag (Erosion) und Korrosion, wobei die Korrosion durch Zerstörung von Schutzschichten als Folge der Erosion ausgelöst wird. Beim Unternehmen SIC Cast Mineralguß beschreibt man diese Erscheinung als Kombination aus einem chemischen und abrasiven Angriff durch Medien, die sowohl mit Feststoffen als auch mit Säuren bzw. Laugen belastet sind. Dazu bietet der Hersteller einen Werkstoff an, der aus einer Kombination aus 82 % SiC und 18 % Epoxidharz besteht.

Dieser Werkstoff ist (fast) so hart wie Diamant, unempfindlich gegenüber Korrosion, antimagnetisch, extrem beständig gegen Abrasion sowie temperaturschock- und stoßunempfindlich.
Die Bauteile werden im Mineralgussverfahren geformt und erhalten ihre Belastbarkeit durch das Heißhärten. Abschließend erfolgt die mechanische Bearbeitung der Anschlusspassungen mit Diamantwerkzeugen. Mit diesem Eigenschaftsprofil ist der Gusswerkstoff ein hochresistentes Material für alle medienberührten Bauteile von Pumpen (Gehäuse, Laufräder, Schleißwände und Gehäusedeckel), die bei korrosiven und abrasiven Fördermedien extremen Beanspruchungen ausgesetzt sind. Bekannte Anwender sind Düchting Pumpen und Klaus Union. Wird der Werkstoff beim Re-engineering (Beschichtung) beispielsweise von Laufrädern eingesetzt, fallen nur etwa 1/3 der Neukosten an.

Wann wird der 3D-Druck den Ersatzteilmarkt revolutionieren? Das kann nicht mehr lange dauern, weil derzeit auch Metalldrucker an Bedeutung gewinnen: Dabei schmilzt ein Laser vorgezeichnete Stellen in einer feinen Schicht aus pulverisiertem Metall. Diese Stellen härten nach dem Kontakt mit dem Laser aus, darauf kommt eine weitere Schicht Metallpulver, die wieder mit dem Laser geschmolzen wird und danach aushärtet. Dieser Vorgang wiederholt sich so oft, bis die gehärteten Stellen die gewünschte Form angenommen haben.

Warum sollte es nicht möglich sein, beispielsweise das Laufrad einer Kreiselpumpe oder Düsen einer Kolbenpumpe auf diese Weise zu revitalisieren? Wie die 3D-Technologie weitergedacht werden kann, das zeigen die Land- und Baumaschinenhersteller Caterpillar und John Deere mit dem „Cloud Producing“. Die Idee: Sie speichern die Daten der Ersatzteile in einer Datenbank, auf die jeder Befugte überall auf der Welt zugreifen kann. Benötigt eine Werkstatt also irgendwo auf dem Globus ein Ersatzteil, kann sie die Daten herunterladen und die Komponenten vor Ort drucken.

Pumpenhersteller KSB sieht sich in Sachen 3D-Druck in einer branchenweit führenden Position und erwartet eine gewaltige Kostenersparnis, die sich derzeit aber noch nicht quantifizieren lasse. Dies sei erst möglich, wenn die Produkte entsprechend umkonstruiert seien – dann sinke der Materialverbrauch, auch seien weniger Bearbeitungsschritte nötig. Aktuell setzt das Unternehmen den 3D-Druck hauptsächlich im Forschungsstadium, zum Teil aber auch bereits in der Produktion ein. Beispielsweise dann, wenn Ersatzteile besonders schnell und in geringen Stückzahlen hergestellt werden müssen.

Der Service spielt im Maschinenbau eine immens wichtige Rolle – so ist es für viele Pumpenanbieter ein klar definiertes Ziel, den Bereich Servicedienstleistungen und Ersatzteile weiter zu verstärken. Bei großen Herstellern liegt der Aftermarket-Anteil am Gesamtumsatz inzwischen bei 30 bis 35 %.

Fazit: In der Prozessindustrie wachsen die Anforderungen an Flexibilität, individuellere Produkte und schnellere Produkteinführungszeiten. Die Anbieter von Pumpen, Vakuumtechnik bzw. von Kompressoren müssen Wege finden, um alle Forderungen zugleich unter einen Hut zu bringen. 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. 1804ct903

Auf der Achema werden die im Bericht erwähnten Lösungen in den Hallen 8 und 9 zu sehen sein.

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Heftausgabe: März/2018

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Achema-Trendberichte werden von internationalen Fachjournalisten erstellt.
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