Pumpe der Zukunft Wie Energieeffizienz und Standardisierung das Design von Pumpen beeinflussen

Autor / Redakteur: Hans-Jürgen Bittermann / Anke Geipel-Kern

Kürzere Planungs- und Bauzeiten, flexiblere Nutzungsmöglichkeiten durch rasche Modifikationen – und das alles dennoch so energieeffizient wie möglich: Die Enpro-Initiative (Energieeffizienz und Prozessbeschleunigung für die chemische Industrie) eröffnet der Prozessindustrie mit ihren diversen Entwicklungsprojekten interessante Optionen. Auch neue Designs für Pumpen bieten ungeahnte Chancen, wie erste Modul-Konzepte und aktuell das Projekt Hector zeigen.

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Energieeffizienz, Modulbauweise und Digitalierung bestimmen die Zukunft des Pumpendesigns.
Energieeffizienz, Modulbauweise und Digitalierung bestimmen die Zukunft des Pumpendesigns.
(Bild: Klaus Union; Netsch; ©klyaksun - stock.adobe.com; [M]Grimm)

Pumpen verschlingen 30 Prozent des industriellen Stromverbrauchs. Kälteerzeugung, Kompressoren und Ventilatoren schlagen mit gesamt 34 Prozent zu Buche. In Summe verbraucht das Rotating Equipment also zwei Drittel des industriell genutzten Stroms. Energieeffizienz spielt daher in der Enpro-Initiative eine wichtige Rolle und genießt große Aufmerksamkeit in der Prozessindustrie.

Das gleiche gilt für das Thema Prozessbeschleunigung: Denn wer die Segnungen von Industrie 4.0 thematisiert, kommt schnell zur Erwartung einer höheren produktionstechnischen Flexibilität. Dazu müssen Anlagen einfach und schnell umrüstbar sein – insbesondere neue Maschinen sollen sich unkompliziert in den Produktionsprozess integrieren lassen.

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Ein Lösungsansatz ist die Modularisierung, bei der es auf zwei wesentliche Punkte ankommt: Die Prozessapparate müssen in Module untergliedert sein, und die Automatisierungstechnik braucht eine modulare Struktur. Das bedeutet nicht weniger als einen Paradigmenwechsel in der Prozessentwicklung – weg von verfahrenstechnischen Grundoperationen, hin zu Services von Modulen.

Anstatt bei einem Rührkessel die Zulaufventile, die Temperiereinheit, den Rührer und die benötigte Sensorik einzeln in die Automatisierung einzubinden, gibt es eine Art Druckertreiber für das Modul, das Module Type Package (MTP).

Keine unmögliche Aufgabe: In Kooperation mit dem Lehrstuhl für Automatisierungstechnik der TH Köln und Wago Kontakttechnik hat Seepex auf der Hannover Messe 2019 ein Pumpenmodul mit Module Type Package (MTP) präsentiert, das in die Automatisierungssysteme verschiedener Hersteller importiert werden kann und dort unterschiedliche Dienste, wie beispielsweise Dosieren und Abfüllen steuert.

Enpro und die Pumpen

In der ersten Phase der Initiative (Enpro 1.0) wurde die Modularisierung von Pumpen untersucht. Im Projekt Modular Equipment for Energy Efficient Chemical Production sollten modulare Ausrüstungen eingesetzt werden, um Projektlaufzeiten zu reduzieren und gleichzeitig die Energieeffizienz in der chemischen Industrie zu verbessern. Hauptziel war, zu demonstrieren, dass ein modulbasierter Ansatz die Wiederverwendung von bereits in früheren Projekten entworfenen Anlagenblöcken ermöglicht.

Die Arbeiten am „iPAT“ (Universität Erlangen-Nürnberg, Lehrstuhl für Prozessmaschinen und Anlagentechnik, Prof. Dr.-Ing. Eberhard Schlücker) im Rahmen dieses Vorhabens konzentrierten sich auf die Modularisierung von unterschiedlichen Pumpentypen. Je nach benötigten Prozessparametern erzielen verschiedene Pumpentypen (z. B. Kreiselpumpen, Exzenterschneckenpumpen, Membranpumpen) unterschiedlich gute Ergebnisse bezüglich der Energieeffizienz.

Herausforderung: Pumpentausch

Jedoch besteht bisher das Problem, dass ein Austausch der Pumpe oft mit weitreichenden Änderungen am Gesamtsystem verbunden ist. Das beginnt bereits damit, dass es bei Pumpen keine einheitliche Anschlussgeometrie gibt (im Rahmen von Enpro haben beteiligte Hersteller ihre Pumpen deshalb mit einer einheitlichen Anschlussgeometrie versehen). Zudem besitzen unterschiedliche Pumpentypen auch unterschiedliche Charakteristiken bezüglich ihrer Fördereigenschaften.

Ein wichtiger Aspekt, der für die Austauschbarkeit betrachtet werden muss, sind Pulsationen, die von unterschiedlichen Pumpentypen in unterschiedlicher Ausprägung produziert werden. Hierfür werden für die unterschiedlichen Pumpen speziell an ihre jeweiligen Eigenheiten angepasst Verbesserungsvorschläge erarbeitet. Ziel ist es, die vorhandenen Pulsationen der verschiedenen Pumpentypen auf ein einheitlich minimales Niveau abzusenken.

Das Hector-Projekt soll den Zielkonflikt zwischen hoher Effizienz und einem standardisierten Modulbaukasten lösen.

Es wurde ein modulbasierter Planungsansatz entwickelt, der darauf abzielt, die am besten geeignete Ausrüstung aus einer Datenbank auszuwählen und zu konfigurieren, anstatt sie individuell zu entwerfen. In enger Zusammenarbeit zwischen Unternehmen aus der chemischen Industrie, Ingenieurbüros, Softwareherstellern, Geräteherstellern und der Wissenschaft wurden die benötigten modularen Geräte entworfen.

Modulbaukasten für Pumpen

Die Vielseitigkeit des Moduls wird dadurch erreicht, dass das Hauptgerät als Kern des Moduls definiert wird, das durch eine Vielzahl von Zusatzfunktionen ergänzt wird.

Ein Beispiel für ein Hauptgerät kann ein spezieller Pumpentyp sein, während die für die Spülung der Pumpe erforderliche Verrohrung die konfigurierbare Zusatzfunktion darstellen kann. Um diese Ausrüstungsmodule für die Auslegung von Chemieanlagen anwendbar zu machen, wurde ein Engineering-Tool entwickelt, das die Funktion der Ausrüstung im Prozess und ihre Energieeffizienz bewertet.

Es hilft somit im ersten Schritt bei der Auswahl des am besten geeigneten und effizientesten Hauptgeräts. In weiteren Schritten werden zusätzliche Funktionen hinzugefügt. Die entworfene modulare Ausrüstung wird in einem Engineering-Tool für den gesamten Planungsprozess vom Basic- bis zum Detail-Engineering verwendet.

Der Ansatz wurde physikalisch an einer Vielzahl von Pumpen mit unterschiedlichen Wirkprinzipien demonstriert. Es wurde ein Überwachungssystem entwickelt, mit dem die Dynamik des Betriebszustandes der Pumpe beobachtet werden kann. Das System wird generisch für beliebige Pumpentypen ausgelegt. Es wird ein innovatives Dämpfersystem entwickelt, das einen pulsationsfreien Betrieb auch für Verdrängerpumpen gewährleistet. Schließlich wird ein Pumpensatz entwickelt, dessen wirtschaftliche Anschlussmaße unabhängig vom Wirkprinzip der Pumpe nur durch den von der Pumpe geförderten Volumenstrom definiert sind. All dies zusammen wird eine schnelle Auswahl der energieeffizientesten Pumpe erlauben und zusätzlich den Austausch von Pumpen gegen effizientere Modelle ermöglichen.

Dem Verschleiß auf der Spur

Während der Fokus in Enpro 1.0 auf den einzelnen Modulen lag, steht beim Projekt Hector (Hocheffiziente chemische Anlagen mittels Technical Operations Research) deren effizientes Zusammenspiel im Gesamtsystem im Fokus.

Die Partnerunternehmen für Hector sind Evonik (Modulaufbau und -pflege am Beispiel von Pumpenmodulen), Lewa (Versuche und Modelle zu Verschleiß und Effizienz von Kolbenmembranpumpen), Netzsch (Entwicklung einer Methodik zur Diagnose und Vorhersage des Verschleißzustandes der Förderelemente einer Exzenterschneckenpumpe), Klaus Union (Modulbaukasten Kreiselpumpen und Modulbaukasten Armaturen) und die Ingenieurgesellschaft IAV (Softsensoren zur Diagnose von Modulen und Prädiktion von Ausfallwahrscheinlichkeiten). Koordiniert wird das Projekt von Prof. Dr.-Ing. Peter F. Pelz, TU Darmstadt; dessen Mitarbeiter Philipp Wetterich hat bei den Partnern den Stand der Dinge abgefragt.

Die beteiligten Pumpenhersteller konzentrieren sich augenfällig auf das Verschleißverhalten. Hintergrund ist, dass Pumpen in modularen Anlagen nicht gezielt für eine bestimmte Aufgabe ausgelegt werden und daher jenseits des besten Betriebspunkts arbeiten. Gerade in Teillast kann sich dann das Verschleißverhalten verstärken bzw. werden die Auswirkungen von verschlissenen Komponenten deutlicher. Dieser Unsicherheit ist zu begegnen.

Lewa

Als System- und Lösungsanbieter fällt Lewa im Projekt die Rolle der Komponentencharakterisierung zu, wie Dr. Philipp Trunk (Project Manager Digital Innovation) berichtet. Über die Projektlaufzeit sind Betriebsdaten zu erfassen und Verschleiß zu charakterisieren. Zusätzlich stellen sich Fragen der Modularisierung, Charakterisierung des Bauprogramms sowie Integration in modulare Anlagentechnik und Anlagen-Engineering-Prozesse. Lewa verspricht sich zukünftig die Erhöhung der Vorhersagefähigkeit von Verschleiß und Schäden.

Dies gilt sowohl für die neu entwickelten Pumpen als auch für den Retrofit des Bestandsportfolios. Zudem biete die Interaktion mit Evonik als Betreiber und den weiteren Komponentenherstellern zum Thema Modularisierung wertvolle Implikationen für die sinnvolle Standardisierung in einen Modulbaukasten, der eine gute Integrationsfähigkeit des Teilsystems Pumpe in die Gesamtanlage besitzt.

Dadurch erhofft sich der Anbieter eine breite Akzeptanz seiner Lösungen, insbesondere bei den für Lewa sehr wichtigen Betreiberkunden der Prozessindustrie. Nicht zuletzt bewege eine Optimierung im Systemgedanken die großen Stellhebel für eine höhere Energieeffizienz.

Klaus Union

Der Technische Leiter Frank Holz benennt als Ziel des Projektes, Pumpen kontrolliert verschleißen zu lassen, um mithilfe von dabei aufgenommenen Messdaten der verschleißenden Pumpe später auf den Zustand einer real verbauten Pumpe rückschließen zu können. Durch Überwachung von Pumpen in der Anlage und dem nun bekannten Verschleißzustand soll die Möglichkeit geschaffen werden, unvorhergesehene Pumpen- und somit Produktionsausfälle der Anlage zu minimieren.

Klaus Union untersucht im ersten Schritt systematisch den Einfluss von einzelnen verschleißenden Komponenten der Pumpe (z. B. Schleißring, Drosselring, Gleitlagerung) auf die Leistungsdaten der Pumpe, um den jeweiligen Einfluss dieser verschlissenen Einzelkomponente zu bestimmen.

Dazu bilden die Leistungsdaten der Pumpen im Neuzustand die Grundlage. Im zweiten Schritt wird der Einfluss aller verschlissenen Komponenten auf die Leistungsdaten der Pumpe messtechnisch bestimmt. Ziel ist es, mit möglichst wenig an der Pumpe verbauter Messtechnik Rückschlüsse auf die Leistungsdaten und somit den Verschleißzustand der Pumpe zu erhalten.

Klaus Union wird auf der Basis der in umfangreichen Messreihen gewonnen Erkenntnisse neue, verschleißbeständigere Komponenten anbieten können, wenn Betreiber an Pumpen diesbezüglich besondere Anforderungen stellen.

Ingenieurgesellschaft IAV

Um effiziente Betriebsweisen der Module im Gesamtsystem auf kostengünstige Art und Weise sicherzustellen, wird der Einsatz von Softsensorik untersucht. Auch hier liegt der Fokus nicht auf dem einzelnen Modul, sondern auf der systemweiten, gezielt redundanten Erfassung von Systemgrößen.

Ziel ist es, durch das Auflösen dateninduzierter Konflikte auf den Verschleißzustand der Module zu schließen und vorausschauende Diagnosefunktionen zu entwickeln. Die im Projekt gewonnenen Informationen bieten großes Potenzial für die energieeffiziente (Um-)Gestaltung modularer Anlagen.

Ziel ist die Entwicklung von Methoden zur Detektion von Verschleiß – sowohl auf Pumpen- als auch auf Gesamtsystemebene, so der Project Manager Patrick Stracke. Dies ermögliche eine exakte Diagnose der defekten Komponenten im Systemverbund. Dabei nutzt IAV Know-how aus mehr als 30 Jahren Erfahrung als internationaler Entwicklungsdienstleister.

Netzsch

Exzenterschneckenpumpen arbeiten sehr häufig in Anwendungen mit hohem Verschleiß. Netzsch will in Zukunft seinen Kunden die Möglichkeit bieten, den Verschleißzustand der Pumpe zu monitoren. Damit kann beispielsweise rechtzeitig die nächste Wartung vorbereitet und geplant werden. Hector schafft also die Grundlagen dafür, Predictive Maintenance für Exzenterschneckenpumpen auf Basis anlagenspezifischer Sensordaten einzuführen, so Mikael Tekneyan, Entwicklungsingenieur Global Technology- & Product Management. Dazu hat der Anbieter bereits einen Teil der Verschleißversuche mit Pumpen gefahren und die Daten zur Modellerstellung zur Verfügung gestellt.

Komplexität verringern

In der Enpro 1.0-Initiative wurde anhand von Fallstudien gezeigt, dass durch computergestützte, modulbasierte Auslegung der Engineering-Aufwand bei der Anlagenplanung und die Projektdurchlaufzeit deutlich verringert werden kann. Grund hierfür ist die Reduktion von Komplexität durch Bereitstellung einer Vorauswahl an Modulen. Die Reduktion der Komplexität hat jedoch ihren Preis: Eine Anlage, die aus der Kombination einer beschränkten Auswahl von Modulen entstanden ist, wird nicht so effizient sein wie eine zeitaufwändige, auf den Anwendungsfall maßgeschneiderte Lösung. Um die Vorteile des Modularisierungsansatzes mit Energieeffizienzbemühungen zu kombinieren, muss die Auswahl der grundsätzlich für die Planung zur Verfügung stehenden Module, d. h. des Standard-Modulbaukastens, sorgfältig getroffen werden. Zum anderen muss weiteres Optimierungspotential durch eine Systembetrachtung bei Planung und Betrieb erschlossen werden.

Wenig überraschend: Aus Sicht der Pumpenhersteller ist vor allem der Verschleiß ihrer Pumpen und das Erkennen dieses Verschleißes interessant. Aber auch damit ist natürlich die Frage nach der einzusetzenden Energie tangiert – nur die langfristig betriebssichere Pumpe kann mit überzeugenden Lebenszykluskosten punkten.

* * Der Autor ist freier Mitarbeiter bei PROCESS. Kontakt: redaktion@process.de

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