gesponsertVakuumtechnik und Nachhaltigkeit Energieeffiziente Vakuumprozesse – so holen Sie das Optimum aus dem Nichts

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Pfeiffer Vacuum GmbH

Wenn es um die Nachhaltigkeit in der Vakuumtechnik geht, dann geht es in erster Linie um das Thema Energieeffizienz. Denn zum einen ist die Vakuumerzeugung selbst energieaufwändig, zum anderen spart der Einsatz von Vakuum in vielen Prozessen Energie. Es lohnt sich also, einem Vorreiter und Technologieführer in der Vakuumtechnik in die grünen Karten zu schauen.

Warum ist das Thema Energieverbrauch in der Vakuumtechnik eigentlich so interessant? Die Antwort findet sich im typischen Betriebszyklus von Vakuumpumpen, nämlich 24/7, das berühmte „Rund um die Uhr“ – und dies über zehn bis zwanzig Jahre. Zum anschaulichen Vergleich: Vakuumpumpen erreichen in nur einem Jahr Betriebszeiten, die Sie mit Ihrem Auto in der Regel erst in zehn bis zwölf Jahren „erfahren“. Bei einem Lebenszyklus von 10 bis 20 Jahren akkumulieren sich somit selbst bei kleinen Vakuumpumpen signifikante Energiemengen. Es lohnt sich für Anwender also, die Effizienzpotenziale in der Vakuumtechnik nicht nur zu suchen, sondern bestmöglich zu heben. Mit Vakuumexperten an der Seite ist das auch gar nicht so schwer.

Um Vakuumexperten kennenzulernen, die sich genau das auf die Fahne geschrieben haben, müssen Sie zu Pfeiffer Vacuum: „Wir wollen der nachhaltigste und am schnellsten wachsende Anbieter in unserer Branche sein, um Technologien für eine nachhaltige Zukunft voranzutreiben und zu einer besseren Welt für kommende Generationen“, zitiert Dr. Britta Giesen, CEO von Pfeiffer Vacuum, die Vision und sieht ihr Unternehmen beim Thema Dekarbonisierung klar als Vorreiter. Schließlich ist Vakuum die Voraussetzung für viele Verfahren, um regenerative Energie zu erzeugen und speichern.

Ob Zukunftsthemen wie Wasserstofferzeugung, Brennstoffzelle oder Kernfusion, aber auch längst bewährte Technik, wie die Produktion von Solarpanels, Wärmepumpen, Windenergieanlagen, Biogas und Biomasse, selbst die Nuklearenergie: all das ist ohne Vakuum nicht machbar. „Und genau deshalb haben wir eine ganz besondere Rolle als Enabler dieses Themas“, betont Giesen.

Der größte Effizienz-Hebel findet sich beim Betreiber

Als mächtigsten Hebel haben ausführliche Analysen den Energieverbrauch der Vakuumpumpen im Einsatz beim Anwender identifiziert: Der größte Teil des CO₂-Fußabdrucks entsteht im Betrieb der Pumpe, nicht bei ihrer Herstellung.

Als CTO bei Pfeiffer Vacuum hat darum Tobias Stoll das Thema „Verbesserung der Energieeffizienz“ ganz oben auf die Tagesordnung gesetzt. Doch wie sieht das eigentlich der Anwender? „Unter dem Aspekt Energieeffizienz oder Energieverbrauch hat man Vakuum sehr lange nicht betrachtet“, erklärt Stoll. „Ob da ein Gerät mehr Kilowatt gebraucht hat oder nicht, spielte keine Rolle.“ Wobei das nicht in allen Anwenderbranchen gleich verteilt sei. „Eine starke Fokussierung auf diese Themen sehen wir in den Bereichen Halbleitertechnik und Analytik. In den letzten zehn Jahren hat sich hier definitiv was getan.“

Und in der Prozessindustrie? „Hier haben wir mit Aggregaten zu tun, die deutlich mehr Energie verbrauchen als Vakuumpumpen“, bringt sich Sebastian Oberbeck, Global Energy Manager bei Pfeiffer Vacuum, ins Spiel. „Wenn wir beispielsweise an Destillationskolonnen oder Öfen denken – die brauchen natürlich viel mehr Strom als unsere kleinen Vakuumpumpen, die für die entsprechenden Prozesse eine Kammer leer pumpen. Der Punkt ist, dass bei diesen energieintensiven Prozessen die Möglichkeit zur Einsparung praktisch nicht gegeben ist. In einem Ofen wird elektrische Energie eins zu eins in Wärme umgesetzt. Bei der Destillationskolonne wird elektrische Energie eins zu eins in Dampf umgesetzt. Was will man da machen, das ist prozessgegeben.“ Bei den Hilfsaggregaten wie Pumpen, Kompressoren oder eben Vakuumpumpen habe man viel mehr Stellmöglichkeiten – z. B. durch energieeffiziente Antriebe, Modellierung des Betriebszustandes oder Standbybetrieb. „Hier ist ein enges Zusammenspiel mit unseren Kunden wichtig. An welcher Stelle können wir wann wo Energie sparen? In der Summe der vielen Aggregate macht es das dann aus“, so Oberbeck. Customer Centricity heißt das Erfolgsrezept: gemeinsam mit den Kunden die optimale Lösung zu erarbeiten.

Auf die „innere Effizienz“ kommt’s an

Dabei kommt es nicht nur auf den Motor an. Den Wirkungsgrad und damit die Effizienz einer Vakuumpumpe entscheidet auch: wie gut arbeitet die Pumpe an sich, wie gut ist die Pumpe im Pumpensystem abgestimmt, wie sieht es mit der „inneren Effizienz“ aus? Pfeiffer Vacuum – der Vorreiter – war hier mit Überlegungen schon früh am Start, „mit Produkten, die ihrer Zeit voraus waren“, erklärt Stoll: hocheffiziente Pumpen, die natürlich teurer waren als das, was am Markt etabliert war. „Wir sind mit diesen Produkten damals klassisch gescheitert, weil einfach der Markt noch nicht bereit dafür war. Aber es zeigt, dass wir diese Ansätze schon sehr früh verinnerlicht haben.“ Die Vakuumexperten in Aßlar haben auch früh erkannt: ihre Pumpen sollten nicht nur irgendwie einen Schalter zum Ein- und Ausschalten haben, sondern sie sollten Intelligenz mitbringen – in Form von Sensorik, die es den Anwendern ermöglicht, eben auch Energie zu sparen. „Da ist der Standbybetrieb oder der On/Off-Betrieb, der die Pumpe befähigt, sich anhand von eigenständig erfassten Prozessparametern selbst zu steuern“, nennt Stoll Beispiele. „Das ist ein wesentlich größerer Hebel, als einen um fünf Prozent effizienteren Motor einzusetzen.“

Ready for Industry 4.0

Der Vorreiterrolle gerecht, sind die Themen Digitalisierung und IoT in den Entwicklungsroadmaps bei Pfeiffer Vacuum heute hoch priorisiert. „Das ist ganz klar, auch wenn es nicht in allen unseren Anwenderbranchen gleich stark angefragt wird. Wir sind ready for Industry 4.0“, bekräftigt Stoll. Ganz wichtig sei dabei auch hier das Zusammenspiel mit dem Kunden, mit der Applikation. „Das kann nicht von uns allein betrieben werden“, so der CTO. „Wenn wir über das Thema Nachhaltigkeit reden, müssen wir gemeinsam mit unseren Kunden umdenken, weg vom reinen Investment-Denken hin zu Cost-of-Ownership-Betrachtungen.“ Gerade in konservativeren Industrien, wie der chemischen Industrie, müsse man Betreibern die Augen öffnen: Setzt doch bitte mal die etwas teurere Pumpe ein, die Amortisation wird kommen – über den Energieverbrauch, so das Plädoyer von Stoll. CEO Britta Giesen führt ergänzend zwei gewichtige Pro-Argumente ins Feld: die steigenden Energiepreise und das zukünftig verstärkte Monitoring der CO₂-Emissionen eines jeden Unternehmens. „Wenn ich hier eine Pumpe habe, die schlechte Verbrauchswerte hat, dann wird es relativ schwierig, Verbesserungen aufzuzeigen – und diese werden eingefordert werden.“

Auch das Thema Service denkt und lebt man in Aßlar nachhaltig. „Natürlich machen wir gerne Service, damit kann man ja auch etwas verdienen, aber der beste Service ist der, der nur dann stattfindet, wenn er wirklich benötigt wird“, ist Stoll überzeugt. „Wir trimmen unsere Produkte auf Langlebigkeit und sind bestrebt, den Service-Zyklus so lange, wie es geht, nach hinten zu schieben.“ Auch hier hilft die Intelligenz in der Pumpe, anhand verschiedener Sensorinformationen den besten Zeitpunkt für den Service zu identifizieren.

Die Effizienz-Highlights der Vakuumpumpen

Nun ist es an der Zeit, die energieeffizienten Vakuumpumpen von Pfeiffer Vacuum näher vorzustellen, und zwar je einen Vertreter aus dem breiten Portfolio der Wälzkolben-, Scroll-, Drehschieber- sowie Turbopumpen.

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Starten wir mit der HiLobe, einer intelligenten Hochleistungs-Wälzkolbenpumpe für Grob- und Feinvakuumanwendungen, die ihre Premiere auf der Hannover Messe 2019 feierte und seitdem in verschiedenen abgeleiteten Varianten, z. B. in Ex-Schutz- oder Korrosionsschutz-Ausführung weiterentwickelt wurde. Die Pumpen verbrauchen aufgrund ihrer leistungsstarken IPM-Synchronmotoren, eine Eigenentwicklung, 30 Prozent weniger Strom. Die Motoren erlauben darüber hinaus eine Drehzahlregelung über einen weiten Bereich und ermöglichen damit eine optimale Anpassung an die Prozessbedingungen sowie einen Standbybetrieb, was zu weiteren Energieeinsparungen beitragen kann. Zudem sind die HiLobe-Pumpen dank des reduzierten Materialeinsatzes nur noch halb so groß und schwer wie ihre Vorgänger. „Die daraus resultierende Platzersparnis ist ein gutes Beispiel für das, was wir unter innerer Effizienz des Pumpsystems verstehen”, erklärt Stoll.

Seit zwei Jahren auf dem Markt sind die Scrollpumpen der Serie HiScroll. Die ölfreien Vakuumpumpen zeichnen sich insbesondere durch eine hohe Leistung beim Evakuieren gegen Atmosphäre aus. Auch sie werden von den leistungsstarken IPM-Motoren angetrieben, mit denselben Vorteilen wie bei der HiLobe. Eine intelligente Elektronik sorgt dafür, dass die volle Pumpleistung nur dann abgerufen wird, wenn sie wirklich benötigt wird – in der Regel am Anfang der Evakuierung. Anschließend wird die Drehzahl im Effizienz-Modus runtergefahren, was erheblich Energie spart. Dazu kommen auch hier die sehr kompakte Bauweise und das geringe Gewicht. Für Oberbeck zudem ein treffliches, weiteres Beispiel für die innere Effizienz: „Die HiScroll besitzt eine verschleißbehaftete, also eine reibende Dichtung. Uns ist es gelungen, in einem innovativen Beschichtungsverfahren eine Reibpaarung zu entwickeln, die eine extrem lange Lebensdauer dieser Dichtung bewirkt. Zusammen mit den Wellenlagerungen und den Motorkomponenten konnten wir die innere Effizienz damit wirklich auf die Spitze treiben.“ Mit schönen Nebeneffekten, ergänzt der Energiemanager: „Die Pumpe erwärmt sich weniger, und da Reibung nicht nur Wärme, sondern immer auch Schwingungen erzeugt, ist sie die leiseste Pumpe in diesem Marktsegment, die Sie finden werden.“

In den einstufigen Drehschieberpumpen der SmartVane-Baureihe steckt das „smart“ bereits im Namen. „Mit dieser Entwicklung wollten wir den kostengetriebenen Ansatz im Segment der Drehschieberpumpen bewusst aufbrechen”, erzählt Stoll. „Und beweisen, dass selbst aus einer Pumpentechnologie, die weit über 100 Jahre alt ist – und wo jeder sagt, lass die Finger davon, das ist ausgequetscht – sehr wohl noch was zu holen ist“, ergänzt Oberbeck, „mit neuen Materialien, mit neuen Beschichtungsmethoden und eben auch mit neuer Antriebstechnologie.“ Nun stehen auch Drehschieberpumpen mit einem intelligenten und hocheffizienten Antriebskonzept zur Verfügung, wobei die Scrollpumpe Pate stand. Auch hier ganz oben auf der Spezifikationsliste: das Geräuschniveau. „Wir haben damit ein Produkt, das gerade im Laborumfeld zum Einsatz kommen kann, ohne dass die Mitarbeiter am Abend Tinnitus haben”, schmunzelt Stoll.

Kompaktheit und Antriebseffizienz waren die Kernziele bei der Weiterentwicklung der bewährten Turbopumpen-Serie HiPace. Das jüngste Familienmitglied HiPace Neo ist 20 Prozent kompakter und mit einem komplett neuen Antrieb ausgestattet. In der Größe einer Streichholzschachtel „verpackt“ ist ein vollwertiger Frequenzumrichter, der einen 3-Phasen-Motor mit 150 Watt Antriebsleistung antreibt. Dazu gesellt sich intelligente Sensorik: eine Überwachung der Rotortemperatur und weitere thermische Sensoren. Ein weiterer Effizienzvorteil: Turbopumpen brauchen immer eine Vorpumpe. Dank intelligenter Steuerung der HiPace Neo lassen die Pumpen sich jetzt ohne großen Aufwand verschalten. Vor- und Turbopumpen interagieren miteinander, d.h. wenn die Turbopumpe Vorvakuum-Performance benötigt, gibt sie ein entsprechendes Kommando an die Vorpumpe. Diese startet, pumpt ab, und wenn das Vakuum erreicht ist, reduziert das System automatisch die Drehzahl auf der Vorpumpenseite. „Ein Paradebeispiel für IoT“, zeigt sich Stoll stolz.

Fazit: Am Beispiel der vier hier vorgestellten Vakuumpumpen zeigt sich: effizienter, kompakter, kleiner und leichter werden, lautet das Motto der Innovationsschmiede in Aßlar. Bei allen Produkten hat das immer den Hintergrund, ökologischer zu sein. Eine kleinere, kompakte Pumpe verbraucht weniger Material, erzeugt damit weniger Abfall, hat weniger Gewicht, damit gehen auch die Transportkosten und der CO₂-Ausstoß beim Transport runter. „Das ist ein ganzheitlicher Ansatz, den wir in der Produktentwicklung verfolgen, um uns als Unternehmen besser zu machen, aber vor allem auch, um unseren Kunden zu helfen, besser zu werden – ganz im Zeichen der Nachhaltigkeit“, so CEO Britta Giesen abschließend.

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