Vom Produkt-Lieferant zu erweiterten Geschäftsmodellen – Teil 1

In dem folgenden Beitrag  Teil 1 möchte ich am Beispiel des Ventilatorenbaus, den aktuellen Stand und die Chancen  aufzeigen, die sich, und das gilt stellvertretend für viele mittelständische Maschinenbauer, durch die Digitalisierung ergeben.

Bild 1: Quelle: HBC Horst Benderoth Consulting, Bild Reitz Ventilatoren

Wenn wir uns den aktuellen Stand bei der Mehrzahl der mittelständischen Ventilatorenbauer ansehen, stellen wir fest, daß diese meist reine Produkt-Lieferanten sind. Was heißt das?

Für alle Leser, die nicht gerade aus dem Ventilatorenbau kommen und nicht unbedingt nach einer DIN-Norm suchen, sondern einfach mal googeln was Wikipedia als Begriffs-Definition so anbietet, finden sie folgende Definition:                                                                                                Ein Ventilator (von lat. Ventilare  „Wind erzeugen“, „Kühlung zufächeln“)  ist eine fremd angetriebene Strömungsmaschine, die meist mittels eines in einem Gehäuse rotierenden Laufrads ein gasförmiges Medium fördert und verdichtet sowie dabei zwischen Ansaug- und Druckseite ein Druckverhältnis zwischen 1 und 1,1 erzielt.

Bild 2: Quelle: Bild; fotolia, Text; http://de.wikepedia.org/wki/Ventilator

Maschinen mit einem Druckverhältnis zwischen 1,1 und 3 sind Gebläse. Ventilatoren und Gebläse werden auch als Lüfter bezeichnet, insbesondere wenn sie zur Luftabsaugung vorgesehen sind. Im weiteren Sinn werden alle zu den Verdichtern gerechnet. Verdichter im engeren Sinn erzielen dagegen Druckverhältnisse von mehr  als 3. Im Verhältnis zur Leistung erzielen Ventilatoren aufgrund des niedrigen Druckverhältnisses hohe Volumenströme. Gebläse wegen des mittleren Druckverhältnisses mittlere Volumenströme. Für die, die jetzt ganz verwirrt sind, das Ganze einfach in Bildern.

Bild 3: Quelle: TROX-TLT, Berliner Luft, Nicotra Gebhardt, TLT Turbo, Reitz Ventilatoren 

Unter dem Sammelbegriff Ventilatoren laufen die verschiedensten Ausprägungen. Während  grundsätzlich zwischen Axial- und Radialventilatoren unterschieden wird, ist ein weiteres Unterscheidungskriterium die Anwendung. Hier wird zwischen Klimaventilatoren oder auch  Ventilatoren der Technischen Gebäude Ausrüstung einerseits

Bild 4: Quelle: Reitz Ventilatoren, TLT Turbo

und den Industrieventilatoren bzw. Prozess-Ventilatoren andererseits unterschieden. Die unterschiedlichen Anforderungen an die Ventilatoren prägen hier deutlich die Ausführungen und Bauarten der Ventilatoren.

Bild 5: Quelle: IKTD Universität Stuttgart, Dipl.-Ing. Matthias Bachmann und Dipl.-Ing. S. Recker 

Allen gemeinsam ist die Tatsache, dass der Produkt-Lieferant im Ventilatorenbau  versucht das eigentliche Produkt, also den Ventilator zu optimieren, d.h.; Die optimale Auslegungsdrehzahl zu finden,  mittels CFD-Analyse die Laufradströmung und damit den Wirkungsgrad zu verbessern,  mittels FEM  und Modal-Analysen die Laufradbelastung und damit Festigkeit  mit kleinst möglichen Massen zu realisieren, Untersuchungen der Lagerbelastung durchzuführen, sowie Maßnahmen zu Geräuschreduzierung vorzunehmen.

Kurz er ist bemüht, im Sinne der zuständigen EU-Richtlinien  und Verordnungen, ein effizientes Produkt zu gestalten, zu fertigen und zu liefern.

Bild 6: Quelle: HBC Horst Benderoth Consulting, Bild Reitz Ventilatoren

Der nächste Schritt in der Entwicklung des Ventilatorenbaus ist der Systemlieferant. Dies vor allem getrieben durch die EU-Richtlinien, wie der Er-P-Richtlinie 2009/125/EG sowie der speziell auf Ventilatoren bezogene Verordnung (EU) Nr. 327/2011, aber auch der internationalen Normenreihe IEC 61800-9, die eine ganzheitliche Betrachtung der Effizienz eines kompletten Antriebsystems ermöglicht. Die deutsche Fassung dieser internationalen Norm ist mit der  DIN EN 61800-9-2 am 01.01.2018 veröffentlicht worden und ersetzt die bisherige DIN EN 50598-2. Hierin heißt es, um die effizienteste Lösung einer elektrisch betriebenen Arbeitsmaschine herauszufinden, müssen zur Energieeffizienzindex      (EEI) -Ermittlung die Verluste des eingesetzten Motorsystems vorliegen. Hinzu kommen die Verluste der Arbeitsmaschine inklusiv der Übertragungs-Module. Also das Zusammenspiel des kompletten Ventilatorsystems.

Mit der internationalen Normreihe IEC 61800-9 wurde im Jahr 2017 ein normatives Werkzeug veröffentlicht, das unter anderem eine objektive Bewertung der Energieeffizienz von Antriebssystemen, aber auch des erweiterten Produktbereiches ermöglicht. Die Effizienzklassen der Complete Drive Module (der Frequenzumrichter) werden hierin in den Klassen IE0 bis IE2 festgelegt. Vergleichbares gilt für das Power Drive System also das komplette Antriebssystem (Motor+FU). Bei der Ermittlung der Verluste eines Power-Drive-Systems werden die Einzelverluste des Motors und des kompletten FU´s addiert. Die Verlustbestimmung wird in 8 Betriebspunkten ermittelt. Um die effizienteste Lösung einer elektrisch betriebenen Arbeitsmaschine herauszufinden, müssen zur Energieeffizienzindex (EEI)-Ermittlung die Verluste des eingesetzten Motorsystems vorliegen. Hinzu kommen die Verluste der Arbeitsmaschine inklusiv der Übertragungs-Module. Die Arbeitsmaschine ist in unserem Fall der Ventilator.

Bild 7: Quelle: ZVEI – Handout – zu Norm EN 50598 – heute DIN EN 61800-9-2

Entscheidend dabei ist die Einsicht, nicht Komponenten sparen Energie, sondern Systeme in ihrer verfahrenstechnischen Anwendung.

Bild 8: Quelle: HBC Horst Benderoth Consulting

Da aber der entscheidende Ansatz der Verlustvermeidung bei der Wahl des Regelkonzeptes von 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 Verfahrenstechniker 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 bzw. ein für die Anforderungen entsprechendes Ventilatorsystem auslegen. Eine strikte Trennung von Maschinenbau und Antriebstechnik muss dem Energieeffizienzgedanken weichen. Deshalb plädiere ich bereits aus Energieeffizienzgründen, das CFS als Einheit zu betrachten und die Konzeptionierung und Lieferung in einer Hand zu belassen.

Das es weitere Gründe für die einheitliche Behandlung als Ventilatorsystem gerade im Zuge der Digitalisierung gibt, wird in dem weiteren Verlauf dieses Beitrags deutlich.

Eine sehr gelungene Umsetzung eines kompletten Ventilator-Systems aus dem Niederdruckbereich sehen Sie hier mit einer Baureihe der Firma ebmpapst. Und zwar das Ventilator-System der Baureihe RadiFit:

Bild 9:  Quelle: ebmpapst Produkt RadiFit 

Es besteht aus den Komponenten: Spiralgehäuse, Hochleistungslaufrad, GreenTech EC-Motor und  der elektronischen Steuerung für eine stufenlos steuerbare Drehzahl mit integriertem Blockier- und Übertemperaturschutz.

Bei dieser Art Ventilatoren, würde kein Kunde auf die Idee kommen den Antrieb oder die Regelung beizustellen. Ganz abgesehen davon, dass ebm-papst die Antriebe auch selbst herstellt.

Bild 10: Quelle: ebmpapst Produkt RadiCal

Bei dem rückwärtsgekrümmten GreenTech EC-Ventilator der RadiCal Baureihe handelt es sich um eine All-in_One Lösung aus einer Hand. Also Laufrad, GreenTech EC-Motor mit integrierter Steuerelektronik und Spiralgehäuse. Zus. einer zum Patent angemeldeten Volumenstrommessung  mit Flügelradanemometer, Feuchtigkeits- und Temperatursensoren und einer MODBUS-RTU Schnittstelle. ebm-papst zeigte 2018 auf der Messe Chillventa in Nürnberg bereits die Linie GreenIntelligence. Hierbei entwickelt ebm-papst aus energieeffizienten Ventilatoren und Antrieben eine intelligente vernetzte Komplettlösung. Alle Produkte mit GreenIntelligence von ebm-papst sind IoT-fähig und mit jedem System vernetzbar – und das schnell und einfach per Plug & Play. D.h. hier sind Smart Fans bereits Realität.

Bild 11: Quelle: HBC Horst Benderoth Consulting, Bilder: Scheuch, Reitz

Anders sieht das bei den sogenannten Industrie- bzw. Prozeß-Ventilatoren aus. Hier wollen oft sogar die Ventilatorlieferanten nichts mit der E-Technik, geschweige denn  der Leistungs-Elektronik zu tun haben. Denn wie höre ich häufig. „Wir sind ja schließlich Maschinenbauer“. Aber auch hier besteht das komplette Ventilator-System immer aus dem eigentlichen Ventilator (also dem Laufrad, dem Gehäuse, bei separater Lagerung den Lagern, den  Moment übertragenden Komponenten (Kupplung, Riementrieb) und den Konsolen etc.)

Bild 12: Quelle: HBC Horst Benderoth Consulting, Bilder: Scheuch, Danfoss, ABB, Siemens, REEL S.r.l.

dem Antrieb – In den meisten Fällen einem Elektromotor, wobei man je nach Einsatzbedingungen und Antriebsgröße entscheiden muss, welche Antriebslösung die richtige ist. Drehstromasynchronmotor mit Alu-Läufer. Drehstromasynchronmotor mit Kupferläufer. Synchronmotor mit Permanentmagneten am Rotor. Synchronreluktanzmotor dessen spezielles Rotordesign den magnetischen Fluss führt und so ein Reluktanzmoment erzeugt. Wobei der Synchronmotor mit Permanentmagneten bei kleineren Leistungen und hohen dyn. Anforderungen und der Synchronreluktanzmotor bei Leistungen bis max. 450 kW  die richtige Wahl bei dem Wunsch nach einer Effizienzklasse >=IE4 in Verbindung mit einem Frequenzumrichter sind. Die verschiedenen Motorkonzepte beeinflussen erheblich den Antriebswirkungsgrad.

Bild 13: Quelle: HBC Horst Benderoth Consulting, Bilder: Scheuch, Reitz, CG Drives & Automation, Siemens, ABB, Danfoss

Die dritte wichtige Komponente ist die Regelung.

Ob Drosselklappenregelung, Drallregelung oder Drehzahlregelung, und hierbei je nach Leistung mit einem Aufsatz-FU, mit einem Einbaugerät oder einem kompletten Schranksystem. Der richtige Antrieb (Motor +FU) bestimmt schon einmal den Antriebssystem-Wirkungsgrad. In Verbindung mit dem Ventilator dann den Ventilatorsystem-Wirkungsgrad und was viel wichtiger ist, durch die Unterschiede in der Regelungsart die unterschiedlichen Leistungsaufnahmen über den Regelbereich. Entscheidend  ist aber hier, dass das Ventilator-System, also Ventilator, Motor und Regelung exakt aufeinander abgestimmt ist. Wobei hier leider in der Praxis oft die Systemkomponenten auseinander gerissen werden (also nicht aus einer Hand geliefert werden), weshalb gerade die Abstimmarbeiten vernachlässigt werden, obgleich diese von großer Bedeutung sind, da es sonst bei nicht richtig abgestimmten Ventilator-Systemen bzw. falsch parametrierten Antriebssystemen zu Schwingungen und letztlich Schäden an den Ventilatoren kommen kann.

Wenn in den ErP-Richtlinien bzw. der EU-Verordnung Nr. 327/2011 vom Ventilator-System-Wirkungsgrad gesprochen wird, sind also zumindest diese drei Komponenten gemeint.

Bild 14: Quelle: HBC Horst Benderoth Consulting, Bilder: Scheuch, Siemens, Reitz

Zwar nicht im Sinne der EU-Richtlinie 327/2011, wohl aber im Sinne der Anforderungen an ein optimales Ventilator-System, gehören die aktiven oder passiven Maßnahmen zur Schallreduktion mit in die Betrachtung. Denn auch hier gewinnen durch steigende Marktanforderungen und verschärfte gesetzliche Bestimmungen maschinenakustische Produktanforderungen immer mehr an Bedeutung.

Ist damit das Ventilator-System abgerundet? – Ich sage nein.

Denn wenn wir im Ergebnis erweiterte digitale Geschäftsmodelle anstreben, müssen erst die Grundlagen, die digitale Geschäftsmodelle erst möglich machen, gelöst und damit vorhanden sein.

Hierzu zählen, die Sensorik, Konnektivität, Cloud-Nutzung, das Arbeiten mit Digitalen Zwillingen und den Plattform-Technologien.

Im Teil 2 werde ich über die Sensorik berichten bzw. versuche ich zu der Frage, wie bekommen wir die Daten zu einer vorausschauenden Wartung bis hin zu einem IoT-basierten Predictive Maintenance des CFS in den Griff, Antworten zu finden.

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.