Anfang Horst Benderoth

Bedarf an einem Seminar? – „Veränderung des Ventilatorenbaus im Zeichen der Digitalisierung“

Da die HBC im Rahmen ihrer Beratertätigkeit immer mehr die Fragen nach den Vorteilen und Möglichkeiten der Digitalisierung auch für mittelständische Maschinenbauer, wie z.B. dem Ventilatorenbau, gestellt bekommt, habe ich überlegt, diese Themen eventuell in einem größeren Rahmen zu behandeln. Dies hätte den Vorteil, dass ich von verschiedenen Lösungsanbietern hierzu Referenten gewinnen könnte, um so den Teilnehmern einen neutralen Überblick bereits bestehender Lösungen aufzeigen zu können.

Mich würde interessieren, wer an einem Seminar, wie im ersten Entwurf des nachfolgenden Konzeptes beschrieben, teilnehmen würde, wenn dies auf einem entsprechenden Bildungsforum angeboten würde. Rückmeldungen bitte nur direkt an meine

E-Mail: horst.benderoth@benderoth-consulting.de

Ihre Daten werden von mir rechtskonform und gemäß DSGVO behandelt und keinem Dritten weitergeleitet.

1. Entwurf des Seminarkonzeptes

Vom Produkt-Lieferant, zum System-Lieferant, zu Digitale Services und erweiterten Geschäftsmodellen auf Basis einer IIoT (Industrial Internet of Things) Plattform.

Zielsetzung

Die Schärfung des Bewusstseins, dass auch dem Klein- und Mittelstand heute bedarfsbezogen Rechenkapazitäten, PaaS (Platform as a Service) und Saas (Software as a Service) – Dienste aus der Cloud zur Verfügung stehen, mit denen sich Schritt für Schritt die Weichen in Richtung Digitalisierung der Unternehmensprozesse und des Geschäftsmodells realisieren lassen.

Dies Seminar soll der Tatsache, dass trotz des Hypes im Mittelstand digitale Geschäftsmodelle aktuell immer noch stark defizitär sind, entgegen wirken.

Teilnehmerkreis

Da die Digitalisierung Chefsache und in die Firmenstrategie und Organisation adäquat zu verankern ist, richtet sich dies Seminar gezielt an die Führungsebene der Klein- und Mittelständler.

Die beispielhafte Konkretisierung an dem Ventilatorenbau, soll aber Interessierte aus anderen Branchen nicht ausschließen.

Zum Thema

Die Digitalisierung hat auch auf produzierende Unternehmen starke Auswirkungen sowohl auf deren Fertigung als auch auf deren Geschäftsbeziehungen.

Am Beispiel des Ventilatorenbaus soll den für die Unternehmensentwicklung Verantwortlichen der notwendige Wandel im Zeichen der Digitalisierung und die Möglichkeiten, die sich hierdurch auch dem Mittelstand eröffnen, aufgezeigt werden.

Die Entwicklung vom Produkt-Lieferanten, über den System-Lieferanten, bis zu erweiterten Geschäftsmodellen (wie z.B. IIoT-basiertes Predictive Maintenance des CFS (Complete Fan System), oder die Unterstützung des Service-Personals durch verfügbaren Remote Support mit Augmented Automation Anwendungen usw. wird behandelt.

Der Weg dahin führt über die Wahl des geeigneten Plattform-Anbieters, der Erstellung des Digitalen Zwilling (des Produktes und der Produktion) – dem PLM Product Lifecycle Management System usw.

Das diese Entwicklung dem Mittelstand (trotz meist fehlender Ressourcen) nicht vorenthalten bleiben muss, soll dieses Seminar vermitteln.

Themen

  • Einführung aktueller Stand und Aussichten
  • Vom Produkt-Lieferant zum System-Lieferant
  • Von der technologischen Anforderung über den digitalen Zwilling zum realen Produkt (Stichwort Engineering-Kette)
  • Digitale Services und neue Geschäftsmodelle auf Basis einer IIoT Plattform
  • Vom Ventilatorhersteller bis zum Anlagenbetreiber, ein wachsendes Ökosystem im Kontext von IIoT.
  • Zustandsüberwachung für die Kernelemente des Antriebstrang (FU, Motor) leicht gemacht.
  • Daten zusammenführen, aufbereiten und visualisieren.
  • Maßgeschneiderte Data Analytics Lösungen entwickeln.
  • Mit virtueller Inbetriebnahme Risiken senken und Kosten reduzieren.
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Veränderungen des Ventilatorenbaus im Zeichen der Digitalisierung

Die Veränderungen durch die zunehmende Digitalisierung sind  immens – und zwar sowohl aus ökonomischer als auch sozialer Perspektive: Informationstechnologien, digitale Geschäftsmodelle, Maschinen mit künstlicher Intelligenz und neue Medien wandeln Märkte, Branchen und damit die Anforderungen an die eigene Geschäftsphilosophie.

Man kann die Entwicklung der vergangenen dreißig Jahre grob unterteilen in ein Zeitalter der Hardware, ein Zeitalter des Engineerings und ein beginnendes Zeitalter vernetzter Systeme, bei dem ein digitales Modell im Zentrum der Entwicklung stehen wird. Die Vorteile der digitalen Transformation liegen beispielsweise in der Produktionssimulation, im Maintenance, der Flexibilisierung, der Modularisierung usw.

Dafür bedarf es eines digitalen Modells. Man spricht hier vom digitalen Zwilling (Digital Twin), der für eine Maschine vorhanden sein muss. Der digitale Zwilling ist das virtuelle Abbild eines Produktes, das sein physisches Pendant ein Produktleben lang begleitet. D.h. es muss mit der realen Maschine per Datenaustausch verbunden sein. Dafür braucht es auch integrierte Informationssysteme, die einen durchgängigen Austausch von Informationen von der Planung über die Produktion, der Auftragsabwicklung bis hinunter in die Maschinenebene zulassen. Bei einem derartigen durchgängigen System spricht man von einem Product Lifecycle Management System (PLM) das sinnvollerweise von der Produktentwicklung, der digitalen Fabrik für die Produktionsplanung, dem ERP-System für die unternehmerischen Belange, dem Manufacturing Execution System (MES) für die Produktion bis hin zu den Informationen aus dem Feld, also wenn das Produkt bei Kunden im Einsatz ist, alle Informationen enthält.

Realer und digitaler Zwilling tauschen dann Statusdaten aus, die Sensoren permanent erfassen. Unternehmen können so Produktfehler in der Entwicklungsphase früher erkennen – und ihre Anlagen und Bauteile selbst nach der Auslieferung mittels IoT-basierter Rückmeldungen kontrollieren.

Doch all diese aktuell angesagten Entwicklungen setzen voraus, dass sich der Ventilatorbauer zumindest einmal vom Produkt-Lieferanten zum System-Lieferanten entwickelt hat. Denn erst für das komplette Ventilatorsystem (CFS Complete Fan System), also Ventilator plus Motor plus Regelung (idealerweise mittels Frequenzumrichter) und den erforderlichen Sensoren, gibt die Entwicklung hin zu erweiterten Geschäftsmodellen, wie z.B. dem IoT-basierten Predictive Maintenance des CFS einen Sinn.

Die digitale Herausforderung, speziell für mittelständische Firmen im Maschinen- und Anlagenbau.

Die Digitalisierung, das Internet der Dinge (IoT) und alles rund um das Thema Industrie 4.0 eröffnet neue Möglichkeiten und Geschäftsmodelle aber auch gleichzeitig enorme Herausforderungen speziell für mittelständische Firmen im Maschinen- und Anlagenbau.

Themen wie Product- and Document Lifecycle Management (PDM/PLM), Digital Twins (Digitale Zwillinge), Künstliche Intelligenz (KI), Edge und Cloud Computing, Industriel Internet of Things (IIoT), Predictive Maintenance, um nur einige Themen zu nennen, werden einen großen Teil der Geschäftsgrundlagen verändern.

Um diesen neuen Anforderungen gerecht zu werden, braucht es integrierte Informationssysteme, die einen durchgängigen Austausch von Informationen für die Planung, Entwicklung, Konstruktion und Produktion über die  Auftragsabwicklung bis hinunter in die Maschinenebene zulassen.

Bei dem Thema Effizienz bietet die virtuelle Darstellung von Maschinen oder Anlagen als Abbild auf einer digitalen Plattform den Unternehmen über den gesamten Lebenszyklus viele Vorteile. Voraussetzung dabei ist, dass der digitale Zwilling und die reale Maschine bzw. Anlage dauerhaft miteinander verbunden ist. So fließen Betriebsdaten aus dem realen Einsatz der Maschinen und Anlagen in die Beurteilung und Weiterentwicklung der Produkte ein. D.h. die Daten aus dem jeweils führenden System müssen also dem Product Lifecycle Management (PLM) für die Produktentwicklung, der digitalen Fabrik für die Produktionsplanung, dem ERP-System für die unternehmerischen Belange bis hin zu den Informationen aus dem Feld, also wenn das Produkt beim Kunden im Einsatz ist. Realer und digitaler Zwilling tauschen mittels IIoT Daten aus, die Sensoren permanent erfassen. So können Unternehmen aus Schwächen ihrer Produkte im realen Einsatz Erkenntnisse gewinnen und diese bereits in die Entwicklungsphase einfließen lassen.

Zurück zum Mittelstand.

Am Beispiel eines fiktiven mittelständischen Maschinebau-Unternehmen für Prozess-Ventilatoren möchte ich die Schwierigkeiten, die sich bei der Umsetzung vorgenannter Szenarien auftun, und die nur zu einem Bruchteil einen technischen Hintergrund aufweisen, kurz erläutern.

Der leider immer noch vorwiegende Ist-Zustand läuft wie folgt ab.

Soll eine neue Anlage in der u.a. Prozess-Ventilatoren zum Einsatz kommen gebaut werden, erteilt der zukünftige Betreiber einen Planungsauftrag an einen Anlagenplaner. Dieser erstellt die Anlagenplanung und erstellt Spezifikationen zur Ausschreibung der Anlage. Da hier das Rad nicht neu erfunden wird, werden viele Bausteine der Spezifikationen aus dem Fundus genommen. Was aber auch gleichzeitig bedeutet nicht mehr den neuesten Erkenntnissen zu entsprechen. Die in der Ausschreibung berücksichtigten Anlagenbauer halten sich in ihren Offerten an den Ausschreibungstext und den hier aufgeführten Spezifikationen. Ist der Auftrag dann an einen Anlagenbauer vergeben, wird dieser dann in einzelne Lose aufgeteilt und die Komponenten an Zulieferer, wie z.B. dem Prozess-Ventilatoren Lieferanten vergeben. Die vom Anlagenplaner vorgegebenen Spezifikationen werden als Auftragsbestandsgrundlage weitergereicht.

Was bedeutet das z.B. für das Ventilator-System des Prozess-Ventilators?  Kurz in Erinnerung zu rufen. Ein Ventilator-System besteht aus dem eigentlichen Ventilator, dem Antrieb und der Regelung. Zusätzlich meist und sinnvollerweise noch aus den Schalldämmmaßnahmen.

Vorausgesetzt ein Ventilator-Lieferant hätte bereits die qualitativen, personellen, technischen und kommerziellen Voraussetzungen und die Digitalisierung seiner Geschäftsgrundlage im eingangs erwähnten Sinne umgesetzt, müssten folgende Kundenauftragsvoraussetzungen erfüllt sein.

  1. Der Kundenauftrag sieht die Lieferung eines kompletten Ventilator-Systems  inklusive aller erforderlichen intelligenten Sensoren und den SaaS-Diensten zu deren Auswertung vor.

Nur so kann ein digitaler Zwilling eine Voraussetzung für eine IIoT-Anbindung etc. geschaffen werden.

In der Realität werden häufig Komponenten wie Antriebsmotor, Regelung etc. vom Anlagenbauer separat eingekauft und beigestellt. Liefert dann der Ventilator-Lieferant (als Komponenten-Lieferant) dem Anlagenbauer auch nur für seinen Part die Daten und erstellt der Anlagenbauer dann den digitalen Zwilling?

  1. Die Auftrags-Spezifikationen lassen dem Lieferanten die freie Wahl der erforderlichen Komponenten zur Umsetzung eines derart digitalen Systems zu. D.h. die von ihm vertraglich in sein Gesamtkonzept eingebundenen Lieferanten von z.B. Antriebsmotoren, Frequenzumrichter aber auch Smart-Sensoren inkl. der SaaS Dienste und der entsprechenden vertraglichen Einigung zur Multi-Cloud-Nutzung werden nicht durch Spezifikationsvorgaben ausgehebelt.

In der Realität werden häufig aus der Historie heraus (Spezifikationen aus der Schublade) Komponenten, Überwachungseinrichtungen etc. vorgeschrieben, die nicht in ein derartiges digitales Konzept passen.

Was heißt dies für die Praxis. Komponenten-Lieferanten z.B. für Motor und Frequenzumrichter bieten bereits PLM-Software Lösungen an und stellen auf den von Ihnen ausgewählten Cloud-Plattformen Digitale Zwillinge Ihrer Produkte zur Verfügung. Hier verlangt keiner die Produkte der Schnittstellengeometrie anzupassen. Der Ventilator-Lieferant muss aber bei vielen einzelnen Komponenten sein Produkt an die gewählten Komponenten anpassen (Beispiel Motor-, Lagerkonsole, Kupplungsbohrung für die Antriebsseite etc.). Würde er also dem Anlagenbauer genauso auf einer Cloud-Plattform für den nackten Ventilator den digitalen Zwilling zur Verfügung stellen wollen, ist dies so ohne weiteres nicht möglich.

Fazit:

Bevor mittelständische Maschinenbauer, wie an dem Beispiel Ventilatorenbauer aufgezeigt, sich mit der Umsetzung der Digitalisierung ihrer Geschäftsgrundlage befassen, sollten sie erst einmal den Weg zum System-Lieferanten beschreiten. Denn nur in sich abgeschlossene Maschinen- bzw. Anlagensysteme schöpfen den Vorteil  aus der Digitalisierung und eröffnen ganz neue Geschäftsmodelle wie z.B. einem IoT-basiertem Predictive Maintenance des Complete Fan Systems (CFS).

Primärluftversorgung der Rostfeuerung

Bei der Primärluftversorgung einer Rostfeuerung wird diese üblicherweise meistens mit einem Primärluftgebläse versorgt, wie unter Variante 1 dargestellt. Die Luft wird dabei z.B. bei einer Rostfeuerung einer MVA wahlweise aus dem Müllbunker oder unter der Kesselhausdecke angesaugt. Nach dem Gebläse wird diese dann über einen Wärmetauscher geführt und von dort auf die linke und rechte Rostbahn und da dann jeweils auf die einzelnen Rostzonen verteilt.

Die Grundeinstellung, abhängig von der Kessellast wird meistens über einen Drallregler vor dem Gebläse geregelt. Der unterschiedliche Luftbedarf der einzelnen Rostzonen wird jeweils vor der Zone mit einer Drosselklappe geregelt. Die gleichmäßige Verteilung zwischen linker und rechter Rostbahn wird meistens bei der Inbetriebnahme durch eine Blende fest eingestellt. Die Primärluft für die Zonen 1-3 wird durch einen Luftvorwärmer auf z.B. 180°C vorgewärmt. Die Ausbrandzone 4 wird mit der kalten Luft ca. max. 50°C beaufschlagt.

Vorteil der Variante 1:

Es wird nur 1 Gebläse und nur 1 Luftvorwärmer benötigt.

Nachteil der Variante 1:

Der Drallregler ist immer nur soweit im Einsatz, wie die ungünstigste Zone dies vom erf. Betriebspunkt zulässt. Dies bedingt eine schlechte Energiebilanz.

Da derartige Roste von der Konsistenz des Beschickungsmaterials nicht immer gleichmäßig beaufschlagt werden können, kann der hierdurch entstehende Schiefbrand zwischen den beiden Rostbahnen nicht ausgeregelt werden. Dadurch muss die Rostgeschwindigkeit zurück genommen werden, was den Durchsatz der Anlage beeinträchtigt.

Bei der aufgezeigten Variante 2 werden mit 8 Einzelgebläsen jeder Zone auf jeder Rostbahn ein eigenes Primärluftgebläse zugeordnet. Diese können jetzt sinnvollerweise auch mit Drehzahlregelung mittels Frequenzumrichter ausgestattet werden. Den Primärluftgebläsen für beide Rostbahnen und Zonen 1-3 wird jeweils ein kleiner Luftvorwärmer nachgeschaltet, die wie unter Variante 1 die Primärluft auf z.B. 180°C vorwärmen. Die Ausbrandzone 4 wird jeweils mit der kalten Luft ca. max. 50°C beaufschlagt.

Vorteil der Variante 2:

Schiefbrand zwischen den Rostbahnen kann ausgeregelt werden. Keine Rücknahme der Rostgeschwindigkeit erforderlich und damit höherer Anlagendurchsatz möglich.

Keine zus. Widerstände für Klappen und Blenden. Der Bedarf kann je Zone und Rostbahn über die Drehzahl jedes einzelnen Gebläses angepasst werden. Dies bedingt eine optimale, effizientere Energiebilanz.

Die Einzelgebläse je Zone werden so klein, dass diese in einer einfacheren Bauform (Laufrad direkt auf der Motorwelle) gebaut werden können = Preisvorteil zu einen Kupplungsgebläse.

Nachteil der Variante 2:

8 Einzelgebläse, 6 Einzelwärmetauscher sind vom Anschaffungspreis meist ungünstiger als eine große Einheit.

IoT-basierte (PdM) Predictive Maintenance für das (CFS) Complete Fan System

Ventilatoren-Lieferanten als Systemanbieter sollten den Mehrwert einer IoT-basierten (PdM) Predictive Maintenance nutzen. Immer mehr Anbieter versuchen im Zusammenhang mit dem IIoT industriellem IoT Maschinen intelligenter zu machen, um beispielsweise durch Machine-Learning-Analyse die Anlagenzuverlässigkeit und vorausschauende Wartung durch intelligente Sensoren an den Maschinen und Cloud-Software Lösungen den Kunden in die Lage zu versetzen, den Zustand seines Maschinenparks in Echtzeit zu überwachen, zu bewerten und kritische Situationen vorherzusagen.

Beispiele wie Lösungen des als industrielle IoT-Startup gegründeten Unternehmens Petasense siehe,

https://petasense.com/products/motes/

aber auch der von SKF angebotenen Enlight Quick Collect siehe,

http://www.skf.com/de/products/condition-monitoring/basic-condition-monitoring-products/vibration-measurement-tools/quickcollect-sensor/index.html

für Schwinggeschwindigkeits-, Hüllkurvenbeschleunigungs- und Temperaturmessungen mit der Option zum Remote Diagnistic Service, bieten sich für die Lagerüberwachung an.

Aber auch das Smart Motor Concept von Siemens siehe,

https://www.siemens.com/global/de/home/produkte/antriebstechnik/digital-drive-systems/smart-motor-concept.html

bzw.  die von ABB angebotenen Smart Sensoren siehe,

http://new.abb.com/motors-generators/service/advanced-services/smart-sensor

bieten Teillösungen zur Zustandsfernüberwachung von Motoren.

Für einen Ventilatoren-System-Lieferant bietet es sich also an, aus den vielen Teillösungen und den Möglichkeiten die bereits verfügbare Remote Support mit Augmented Automation Anwendungen, wie z.B.  Lösungen der Firma Alexander Bürkle dem Service bieten  siehe,

https://www.alexander-buerkle.de/augmented-automation ,

ein einheitliches webbasierendes Portal zu erschaffen, das all die für den störungsfreien Betrieb eines Ventilatorsystems notwendigen Einzellösungen zu einem stimmigen Gesamtkonzept konzipiert und so seinen Kunden nicht nur bereits die entsprechenden intelligenten Sensoren für die Lagerung, die Motoren etc, sondern auch für die Frequenzumrichter entsprechende Tools für den Online-Zugriff auf die Antriebsinformationen, Behebungen von Störungen etc. wie z.B. mit dem Drivebase von ABB mit anbietet.

All dies würde den Prozeß-Ventilator IIoT-fähig machen und dem Anbieter eine erweiterte Service-Leistung bieten mit einer win-win-Situation für Anbieter und Betreiber.

Verpasste Chancen?

Die Reduktion des Primärenergieverbrauchs um 50% gegenüber 2008 ist eine der Säulen des Energiekonzeptes 2050 der Bundesregierung Deutschland.

Die Bundesregierung hat sich ambitionierte Ziele zur Steigerung der Energieeffizienz gesetzt. Diese wurden mit der Verabschiedung des Nationalen Aktionsplans Energieeffizienz (NAPE) bekräftigt. Um diese Ziele zu erreichen, hat sie einen Energieeffizienzfonds zur Förderung der rationellen und sparsamen Energieverwendung aufgelegt, auf dessen Grundlage unter anderem die Förderung hocheffizienter Querschnittstechnologien vorgesehen ist. Mit ihrer Hilfe sollen die bestehenden Einsparpotentiale erschlossen und Ressourcen eingespart werden.

Die aktuelle Richtlinie zum Einsatz hocheffizienter Querschnittstechnologien wurde am 10. Mai 2016 im Bundesanzeiger veröffentlicht. Das Förderprogramm wird bis Ende 2019 fortgeführt. (Quelle BAFA)

Nach oben beschriebenem Förderprogramm werden u.a. die Querschnittstechnologien Ventilatorsysteme, also Ventilatoren und Antriebssysteme bei der Umrüstung auf neue, effizientere Systeme gefördert. Siehe hierzu die BAFA Publikationen unter den Merkblättern Einzelmaßnahmen und Optimierung technischer Systeme.  Leider nehmen die Betreiber von Anlagen mit Prozeß-Ventilatoren dies kaum in Anspruch.

Unter der HBC Horst Benderoth Consulting berate ich Anlagenbetreiber bei der Umrüstung der Prozeß-Ventilatoren auf hocheffiziente CFS (Complete Fan System). D.h. Ventilatorensyteme mit PDS (Power Drive System), sprich hocheffiziente neue Motoren mit Drehzahlregelung mittels Frequenzumrichter CDM (Complete Drive Modul). Bei der Umsetzung spüre ich jedoch Zurückhaltung. Dies ist mir ein Rätzel. Denn in fast allen Fällen liegt die zu erzielende Energieeinsparung bei 30% und mehr.  Mir sind Fälle unter gekommen, wo in der Kombination der Fehler sowohl des Regelungskonzeptes als auch der verfahrenstechnischen Einbindung sich nach Auswertung der Daten im Jahresmittel Energie-Einsparungen von 68% nach einer Umrüstung ergeben hätten. Mir sind aber auch Aussagen im Gedächtnis geblieben, bei denen mir Betreiber trotz Amortisationszeiten von <= 2 Jahren unter vorgehaltener Hand vorgerechnet haben, daß meine Rechnung so nicht stimme, wenn ich den Nachteil bei der EEG-Umlagenbefreiung, der sich durch derart hohe Energie-Einsparungen ergeben würde, gegen rechne.

Soll also wirklich Energie-Einsparung gefördert werden? Oder ist die Zielsetzung bei dem Energiekonzept 2050, bei dem unter anderem eine Reduktion des Primärenergieverbrauchs um 50%  gegenüber 2008 deklariert wird, nur eine schön klingende Aussage. Bzw. sind Passagen der EEG-Umlagenbefreiung kontraproduktiv zum Ziel der Energie-Einsparung?

Koyaanisqatsi – GoGo Penguin

Ich war am 18.08-19.08.2017 zu einem Konzertbesuch in der Elbphilharmonie in Hamburg. Das Trio GoGo Penguin aus Manchester hat für den zivilisationskritischen Kultfilm Koyaanisqatsi von Godfrey Reggio einen neuen Soundtrack kreiert.

Koyaanisqatsi ist der erste Teil der Qatsi-Trilogie von Godfrey Reggio, der sich mit dem Eingriff des Menschen in die Natur und generell zivilisationskritisch mit der menschlichen Lebensweise beschäftigt. Der Film erschien 1982 in den Kinos. Mit seinen Fortsetzungen Powaqqatsi (1988) und Naqoyqatsi(2002) bildet Koyaanisqatsi die Qatsi-Triologie. (Quelle Wikipedia)

Der packende Wechsel von in Zeitlupe- und Zeitraffer aufgenommenen Bildsequenzen wurde extrem gut, sequenzgenau und zur Stimmung passend von dem Trio GoGo Penguin untermalt. Dies hat den hypnotischen Sog der stark wechselnden und beschleunigten Bilder noch verstärkt.

Der Film lässt dem Betrachter eine eigene Interpretation der Aussage frei. Ich selbst fand auch und gerade durch den perfekt passenden, auf die Wechsel abgestimmten Soundtrack für mich die folgende Aussage.

Durch den dargestellten Gegensatz wurde die Vergänglichkeit des menschlichen Schaffens dargestellt. Einerseits die in Harmonie dargestellte Natur, symbolisiert durch faszinierende Landschaftsaufnahmen untermalt mit harmonischen Klängen, und andererseits die vom Menschen geschaffenen unharmonisch und vergänglich dargestellten Objekte, symbolisiert durch Bilder des maschinenhaften Pulses der Menschen und im Zeitraffer dahin eilenden endlosen Autoschlangen, mit bedrohlichen Klängen begleitet.

Koyaanisqatsi (Leben im Ungleichgewicht) wurde als Gesamtkunstwerk von Film und Musik exakt auf den Punkt gebracht. Das Konzert im großen Saal der Elbphilharmonie mit ausgefeilter Akustik war ein starkes Erlebnis.

Ventilatorenbauer und elektrische Antriebstechnik vereint der Systemgedanke

Ausgangsbasis, Antriebskraft und Zielsetzung der EU-Richtlinien ist die Forderung nach Energieeffizienz.

Sowohl die Verordnung (EU) Nr. 327/2011 zur Durchführung der Richtlinie 2009/125/EG des Europäischen Parlaments und des Rates im Hinblick auf die Festlegung von Anforderungen an die umweltgerechte Gestaltung von Ventilatoren, die durch Motoren mit einer elektrischen Eingangsleistung zwischen 125 W und 500 kW angetrieben werden, als auch die auf die elektrischen Antriebe bezogene EN 50598 kommen zu der Einsicht, dass nicht Komponenten Energie einsparen sondern komplette Systeme in den tatsächlichen Anwendungen.

So wurden erstmals in der EU-Verordnung Nr. 327/2011 bei der Mindesteffizienz-Anforderung an Ventilatoren die Wirkungsgrad- bzw. Verlustbetrachtungen nicht nur für das Produkt Ventilator, sondern für das Gesamtsystem Ventilator, inkl. Gehäuse, Moment übertragende Komponenten, Antriebsmotor und Regelung deklariert. Bei der Regelung werden hier allerdings nicht so deutlich wie interessanterweise bei der Antriebstechnik verschiedene Lastpunkte festgeschrieben. Dies kann bei der reinen Betrachtung im Auslegungspunkt zu der kuriosen Situation führen, dass hier ein im Auslegungspunkt offenes Regelorgan Klappe bzw. Drallregler weniger Verluste aufweist als ein CDM (Complete Drive Module = Frequenzumrichter). Was ganz anders aussieht, wenn mehrere Lastfälle betrachtet werden.

Bei der Norm zur Ökodesignanforderung für elektrische Antriebssysteme im Niederspannungsbereich EN 50598 hingegen wird die Verlustbestimmung sowohl der Antriebskomponenten Motor, als auch CDM in 8 verschiedenen Auslastungspunkten vorgegeben. Diese Einzelverluste werden dann zu den Power-Drive-System- / Motorensystemverlusten addiert. Erwähnt wird hier bereits auch der Energieeffizienindex (EEI) einer elektrisch angetriebenen Arbeitsmaschine. Wobei hier lediglich der Hinweis erfolgt, dass zur Ermittlung des EEI die Verluste des eingesetzten Motorsystems vorliegen müssen um dann die Verluste der Arbeitsmaschine inklusiv der Moment übertragenden Module hinzu zu addieren.

Beides die Arbeitmaschine (in unserem Fall der Ventilator) und das Motorsystem (PDS) bilden das Erweiterte Produkt bzw. in unserem Fall das Ventilatorsystem. Obgleich ja gerne alle Abkürzungen aus den englischen Begriffen hergeleitet werden, habe ich für das Ventilatorsystem noch nichts passendes gefunden. Vorschlag nennen wir es doch einfach CFS (Complete Fan System).

Da aber der entscheidende Ansatz der Verlustvermeidung bei der Wahl des Regelkonzeptes zu den verfahrenstechnischen Anforderungen des Kundenprozesses bestimmt wird, sollte also auch logischerweise die konzeptionelle Gestaltung, Lieferung und damit Verantwortung des erweiterten Produktes Ventilatorsystem in einer Hand bei dem Ventilatorlieferanten angesiedelt sein. Nur er kann bei den vom Verfahrentechniker vorgegebenen Lastpunkten einer Anlage die mit der Ventilatorkennlinie und dem entsprechend gewählten Regelungskonzept sich ergebenden Arbeitspunkte und damit den Energieeffizienzindex (EEI) des kompletten Ventilatorsystems (CFS) bestimmen. Eine strickte Trennung von Maschinenbau und Antriebstechnik muss dem Energieeffizienzgedanken weichen. Deshalb plädiere ich dafür, das CFS als Einheit zu betrachten und die Konzeptionierung und Lieferung in einer Hand zu belassen.

Systemverantwortung gehört in eine Hand

Obgleich die Verordnung (EU) 327/2011 hohe Ventilator-System-Wirkungsgrade fordert, finde ich als Berater zur Effizienz von Prozeß-Ventilatoren immer wieder grundlegende Fehler in den Anlagen vor, die aus teilweise effizienten Einzelkomponenten ineffiziente Ventilator-Systeme ergeben.

Warum ist das so?

  1. Ausschreibungsfehler:                                                                                                                     Obgleich bekannt ist, daß gut 31,3 % entsprechend ca. 170 TWh des Stromverbrauchs in Deutschland auf elektrische Antriebe bzw. elektromotorisch angetriebene Systeme entfallen, und davon ein großer Teil auf die Querschnittstechnologien Pumpen und Ventilatoren entfällt, werden in den Ausschreibungen leider immer noch absolut uneffiziente Regelungskonzepte vorgegeben. Hier sollten die Planer endlich einmal überhohlte Ausschreibungs-Spezifikationen überarbeiten und nicht alt hergebrachtes dauern aus der Schublade ziehen. Denn hier könnten allein durch effizientere Motore und Drehzahlregelung rund 28,5 TWh/Jahr eingespart werden. Bei nur 10 ct/kWh ergäbe dies eine Kosteneinsparung von 2,85 Mrd. €/Jahr bzw. eine Senkung des CO2-Ausstoßes von 17 Mio. t/Jahr. Auch wenn dem Anlagenbauer (2-ter in der Kette) diese Tatsache bewusst ist, bleibt ihm nichts anderes übrig, als erst einmal gemäß Ausschreibungs-Spezifikationen anzubieten, will er den Auftragszuschlag erhalten. Kommt dann der Ventilator-Lieferant (3-ter in der Kette) und  will seinen Kunden (den Anlagenbauer) von dem besseren, weil effizienteren Konzept überzeugen, indem er aufwendig alternative Lösungen aufzeigt, ist für derartige Konzepte kein Geld im Budge. D.h. hier gehen dann wieder einmal Investkosten vor den Lebenszykluskosten.
  2. Verfahrenstechnische Einbindung:                                                                                               Leider werden auch häufig Prozeß-Ventilatoren verfahrenstechnisch falsch eingebunden. So sind mir Saugzugventilatoren in Rauchgasreinigungsanlagen aufgefallen, die je einer Reinigungsstufe zugeordnet sind und mit einer offenen Bypaßregelung eingesetzt waren. Als der Betreiber die Leistung erhöhen wollte sind ihm Umrüstungen der Saugzüge auf höhere Leistung und mit Drehzahlregelung angeboten und eingebaut worden. Mit dem Ergebnis, daß die Drehzahlregelung selbstverständlich vollkommen unwirksam ist, da der neue Saugzug so halt nur ein noch höheren Volumenstrom im Kreislauf bei voller Drehzahl fördert. So bringt selbst die effizienteste Antriebstechnik keine Energie-Ersparung.
  3. Zu- und Abströmbedingungen:                                                                                                       Durch strömungstechnisch schlechte An- und Abströmverhältnisse reduziert sich nicht nur der Wirkungsgrad eines Ventilator-Systems um mehrere Prozentpunkte, nein bei den so entstehenden Verwirbelungen und instationären Strömungszuständen können auch erhebliche Schäden verursacht werden. Auch hier beginnen die Fehler meist bereits in der Planung der Gesamtanlage. Planer sind stolz jeden Quadratmeter Fläche ausgenutzt zu haben und Luft- und Rauchgaskanäle mit 90-Grad Umlenkungen unter Ausnutzung jeder freien Ecke Platz optimal geführt zu haben. Damit dann die Anlage noch kompakter und günstiger wird, werden Kanalquerschnitte noch weiter reduziert. Allein hier könnten durch strömungsgerecht ausgeführte Kanalführungen und somit Widerstandreduzierungen erhebliche Energie-Einsparungen erzielt werden.  Mir sind Umrüstungen bekannt bei denen allein an einem großen Saugzuggebläse bei gleicher lufttechnischer Leistung der Energiebedarf von vorher 9.902 kW auf 8.675 kW reduziert werden konnte. Eine Energie-Einsparung von 1.227 kW. Bei einer Anlagenlaufzeit von 8.000 h/Jahr also 9.816.000 kWh entsprechend bei 10 ct/kWh immerhin eine Kostenreduzierung von 981.000,– Euro/Jahr.

Fazit:                                                                                                                                                                 Die Verordnung (EU) 327/2011 fordert hohe System-Wirkungsgrade. Dann sollten Ventilator-Lieferanten auch System-Verantwortung übernehmen. Das geht aber nur, wenn der Liefer- und Leistungsumfang auch in die Hand des Ventilator-System-Lieferanten gegeben wird.

Augmented Automation Service eine Lösung für Ventilator-System-Anbieter?

Bildquellen: HBC Horst Benderoth Consulting, Reitz Ventilatoren, Alexander Bürkle,  

Der technologische Fortschritt bei dem Thema IoT (Internet of Things) und dem exponentiellen Wachstum der Rechnerleistung wird uns Lösungen als denkbar erscheinen lassen, bei dem sich das Ventilator-System selbst überwacht und bei drohenden Störungen sich rechtzeitig beim zuständigen Service-Personal anmeldet.

So wie heute schon E-Motore mit der Remote Condition Monitoring-Lösung, mit intelligenten Sensoren ausgerüstet werden können, die Daten zu Vibration, Temperatur, Überlastung, Energieverbrauch etc. liefern und mit seinen On-Board-Algorithmen Informationen über den Zustand des Motors über ein Smartphone oder das Internet an einen sicheren Server weiterleiten, könnte dies eine Entwicklung für das gesamte Ventilator-System sein.

Ist die von der Leistungselektronik gesteuerte Drehzahlregelung, der Beginn zur Digitalisierung des Ventilatorsystems?

Online Condition Monitoring ist heute – erlauben Sie mir hierzu einen Blick in die Zukunft.
Das Ventilatorsystem ist komplett mit Smart Sensoren ausgestattet.

Folgendes Szenario in Anlehnung an den Bericht „keine Angst vor der automatisierten Wartung“  Autor: Anne Prokopp – erschienen unter www.industry-of-things.de  auf Ventilator-Systeme bezogen, würde sich wie folgt darstellen:

Ein Servicetechniker wird über eine Push-Benachrichtigung auf seinem Smartphone über einen abweichenden Sollwert informiert. Parallel dazu wird im Issue-Tracking-System (ITS) ein Ticket zu diesem Vorgang angelegt. Das ITS ist mit dem Enterprise Resource Planning (ERP) verbunden, worüber die Wartungshistorie der Maschine beziehungsweise des Bauteils eingesehen werden kann. Hinweise, wie ein defektes Bauteil zu wechseln ist, erhält der Servicetechniker aus der technischen Dokumentation in Form von Hilfevideos, Bildern und Texten auf sein Smart Glasses. Während der kompletten Maßnahme besteht jederzeit die Möglichkeit, sich über Remote Service Hilfe bei einem Kollegen oder Vorgesetzten zu holen, der sich an einem anderen Ort befindet, bzw. bidirektional mit einem entfernten Experten zu kommunizieren. Mittels Augmented Reality, also permanente, mobile Erweiterung der visuellen Warnehmung durch Einblendung von Echtzeitinformationen mittels Head-Up-Displays kann so der Experte dem Servicetechniker vor Ort die notwendigen Informationen einblenden und ihn bei der Fernwartung führen. Das heißt, Augmented Automation Service- Lösungen. Also audiovisuell unterstützte Fernwartung.

Eine Anbindung an das Lagerverwaltungssystem bucht dann das verbaute Ersatzteil automatisch aus dem Bestand. Der Tausch wird dokumentiert und mit allen generierten Daten in der Wartungshistorie abgelegt.

Der wirtschaftliche Vorteil läge nicht nur in einer ausfallsicheren Anlage für den Betreiber, sondern auch in einem deutlichen Mehrwert des Service-Anbieters.