- Energieeffizienz
- 8 Februar 2021
Die Pumpe der Zukunft ist smart und grün
Die EU hat sich im Kampf gegen den Klimawandel ehrgeizige Ziele zur Senkung der CO2-Emissionen gesetzt. Es ist absehbar, dass auch immer mehr Pumpentypen davon erfasst werden, denn Pumpen verbrauchen naturgemäß viel Energie, und Strom wird auch in der Zukunft die primäre Antriebsquelle für Pumpen und Kompressoren bleiben.
Die EU hat sich im Kampf gegen den Klimawandel ehrgeizige Ziele zur Senkung der CO2-Emissionen gesetzt. Die Ökodesign-Richtlinie 2009/125/EG ist eine europarechtliche Richtlinie, die Anforderungen an die umweltgerechte Gestaltung „energieverbrauchsrelevanter Produkte“ im gemeinsamen Binnenmarkt der EU festlegt. Es ist absehbar, dass auch immer mehr Pumpentypen davon erfasst werden, denn Pumpen verbrauchen naturgemäß viel Energie, und Strom wird auch in der Zukunft die primäre Antriebsquelle für Pumpen und Kompressoren bleiben.
Mit Hilfe eines Frequenzumrichters den Antrieb der Pumpen verringern
Europa hat nach China und den USA den drittgrößten Stromverbrauch der Welt – rund 3.300 Terrawattstunden (TWh) im Jahr. Davon entfallen in der EU etwa 500 Terawattstunden Strom pro Jahr auf Pumpen, Kompressoren und Druckluftanlagen. Aber der Stromeinsatz lässt sich nennenswert verringern. Bei Pumpen zum Beispiel kann man viel Energie einsparen, wenn der sie antreibende Motor regelbar ist und nur so viel Leistung bringt, wie die Pumpe tatsächlich braucht. Normalerweise läuft der Motor einer Pumpe immer mit einer festen Drehzahl, die Pumpe fährt sozusagen immer mit Vollgas. Mithilfe eines Frequenzumrichters zum Beispiel ist es aber möglich, die Drehzahl des die Pumpe antreibenden Motors zu verringern und damit auch die Leistung der Pumpe. Um das zu erreichen muss allerdings das gesamte System, in dem die Pumpe steht, als Gesamtheit betrachtet und gesteuert werden.
Der Trend bei der Überwachung von Pumpen und Kompressoren geht folgerichtig weg von einer punktuellen, wiederkehrenden Datenaufnahme an Pumpen und hin zu einer kontinuierlichen Datenaufzeichnung und -Auswertung. Cloudlösungen beim Hersteller ermöglichen nicht nur die Analyse auf Basis moderner KI- und Machine-Learning-Konzepte, sondern auch den Vergleich mit Maschinen in anderen Anwendungen. Die Standardisierung des Datenaustauschs und der Eigenschaften des digitalen Zwillings von Pumpen eröffnen dabei den Weg hin zu einem vollständig digitalen Abbild der Anlage.
Digitalisierung ist eine Notwendigkeit
Im Grunde geht es darum, durch den Einsatz digitaler Technologien nicht nur den Personalaufwand und generell die Instandhaltungskosten zu senken, sondern auch die Qualität der Wartung zu verbessern. Um dies zu erreichen, führt an der weitgehenden Digitalisierung einer Anlage kein Weg vorbei. Dann wird es möglich, in Echtzeit den Betriebszustand einer überwachten Pumpe sowie die umgebende Anlagentechnik zu verfolgen und mögliche Probleme wie Lagerschäden, Unwucht oder Druckschläge sowie Trockenlauf und Kavitation zu erkennen.
Das Potenzial der Predictive Maintenace
Das Potenzial für den Einsatz von Überwachungssystemen, die neben der reinen Fehlersignalisierung laufend die Asset Performance überwachen, ist riesig. Das Beratungsunternehmen Deloitte attestierte dem Ansatz 2017 in einer Studie, dass vorausschauende Wartung die für Wartungsarbeiten benötigte Zeit um 20 bis 50 Prozent senken und die Verfügbarkeit der Anlagen um 10 bis 20 Prozent steigern helfen kann. Insgesamt rechnen die Berater damit, dass Predictive Maintenance dazu beitragen kann, Wartungskosten um 10 bis 55 Prozent zu senken.
Die Chancen für die Umsetzung solcher Potenziale stehen derzeit gut: Einerseits haben Pumpenhersteller inzwischen viel über die Ursache-Wirkungsmechanismen bei Störungen und Schäden an Kundenapplikationen gelernt und bringen dieses Erfahrungswissen mittlerweile in eigenen Expertensystemen zur Anwendung.
Da die Pumpe in ihrer Anwendung aber immer Bestandteil eines Pumpsystems ist, ist es für den Erfolg entscheidend, wie die Lösung in die Systemlandschaft des Betreibers integriert werden kann. Pumpen und Kompressoren müssen dafür kommunikationsfähig gemacht werden und sich mit Komponenten anderer Hersteller „unterhalten“ können. Die Vernetzung der verschiedenen Komponenten ist augenblicklich auch die größte Herausforderung für die Umsetzung der Digitalisierung.
Verwaltungsschale als Basis für eine gemeinsame Sprache
Es geht in diesem Zusammenhang in erster Linie um einheitliche Standards. Unter der Federführung der VDMA-Fachverbände Pumpen + Systeme sowie Kompressoren wurde dazu im vergangenen Jahr eine Verwaltungsschale spezifiziert. Unter dem Begriff „Verwaltungsschale“ versteht man hier das digitale Abbild einer realen Anlagenkomponente wie einer Pumpe. Sie setzt sich u. a. aus Teilmodellen zusammen, die unterschiedliche Aspekte oder Funktionen der betreffenden Pumpe in Form standardisierter Merkmale beschreiben. Sie bilden die Basis für eine gemeinsame Sprache von Pumpen.
Termingerecht hat die OPC UA WG Pumps and Vacuum pumps die Arbeiten am Entwurf der OPC UA Companion Specification mit dem 30.09.2020 abgeschlossen. Das erarbeitete Dokument durchläuft nun die Prüf- und Kommentierungsprozesse bei der OPC UA Foundation und dem NAM (Normenausschuss Maschinenbau im DIN). Mit dem Erscheinen des VDMA Einheitsblattes 40223 wird bis Ende des 1. Quartals 2021 gerechnet. Mit diesem Dokument wird es jedem Pumpenhersteller möglich sein, seine Produkte in einer, innerhalb des Maschinenbaus und weiterer Industriekreise verständlichen, digitalen Modellierung kommunikationsfähig anzubieten und jede Pumpe, deren Steuerung auf der Grundlage dieser Modellierung arbeitet, ist dann auch Industrie-4.0 tauglich.
Andererseits sind mit der Standardisierung einer Industrie-4.0-Verwaltungsschale für Pumpen in 2019 sowie dem Öffnen eines zweiten Informationskanals neben der klassischen Automatisierungsstruktur von Prozessanlagen (Namur Open Architecture) wesentliche Voraussetzungen geschaffen worden, um die Daten aus der Pumpe in externen Cloudlösungen auswerten zu können.
Die Datenkommunikation wird erleichtert
Daraus entwickelt sich aktuell der Trend, das Internet beziehungsweise direkt die Cloud zu nutzen, um die Datenkommunikation zu erleichtern. Hier sind viele kleine Firmen unterwegs, die Low-cost-Sensoren anbieten und die Online-Vernetzung mit wenig Aufwand realisieren. Das kann zum Problem werden, wenn jeder Hersteller für sein Equipment eigene Apps und eigene Cloudlösungen nutzt. Weil Anlagenbetreiber nämlich in der Regel vielfältiges Equipment von unterschiedlichen Herstellern einsetzen, sind sie schnell mit der wachsenden Zahl paralleler Systeme überfordert. Außerdem wird damit der Gedanke einer gemeinsamen Schnittstelle ad absurdum geführt, weil die Segmentierung auf der Cloudebene fortgesetzt wird. Das könnte eine Hürde für die Akzeptanz der Digitalisierung werden.
