Die Effizienz von Druckluftanlagen lässt sich erheblich steigern

Bei herkömmlichen Druckluftkompressoren gehen in der Regel 85 bis 95 % der aufgenommenen Energie als Wärme verloren. Wenn im nachgeschalteten System zudem noch Leckagen, den Widerstand erhöhende Filter und Trockner vorhanden sind, die mit Druckluft regeneriert werden müssen, liegt der energetische Gesamtwirkungsgrad der Anlage kaum über 5 %. Doch das lässt sich heutzutage deutlich verbessern. Denn erstens gehen neue Kompressor- und Trocknergenerationen wesentlich effizienter mit der aufgenommenen Energie um. Anschließend können mit Energierückgewinnungstechniken, gezielten Messmethoden und Überwachung weitere Schritte unternommen werden, um letztendlich Einsparungen beim Gesamtenergieverbrauch von 10 bis sogar 50 % zu erzielen.

Fragen Sie Produktionsbetriebe, was die Erzeugung und Verteilung von Druckluft sie genau kostet, und Sie werden überrascht sein, welche Antwort am häufigsten zu hören ist: „Wir haben keine Ahnung. Hauptsache, es funktioniert.“ Seltsam natürlich, denn Druckluft ist ein extrem teurer Energieträger, der nicht weniger als 10 % des gesamten industriellen Stromverbrauchs ausmacht. Angesichts solcher Zahlen würde man erwarten, dass die Kosten für Druckluftanlagen genau im Auge behalten werden und alles getan wird, um die Effizienz zu steigern. Doch nichts ist weniger wahr, und das ist umso bemerkenswerter, als – abgesehen von den Kosten – auch der gesellschaftliche Druck zunimmt, den Energieverbrauch und die_{CO2-Emissionen} von Fabriken zu senken. Dies wird sogar zunehmend durch neue (inter)nationale Gesetzgebung von Produktionsunternehmen verlangt, was die Erzeugung und Verteilung von Druckluft sie genau kostet, und Sie werden überrascht sein über die häufigste Antwort: „Wir haben keine Ahnung. Hauptsache, es funktioniert.“

Seltsam natürlich, denn Druckluft ist ein extrem teurer Energieträger, der nicht weniger als 10 % des gesamten industriellen Stromverbrauchs ausmacht. Angesichts solcher Zahlen würde man erwarten, dass die Kosten für Druckluftanlagen genau im Auge behalten werden und alles getan wird, um die Effizienz zu steigern. Doch nichts ist weniger wahr, und das ist umso bemerkenswerter, als neben den Kosten auch der gesellschaftliche Druck dazu zwingt. Drucklufteinsparungen passen gut in diesen Rahmen und lassen sich in vielen Fällen sogar ganz einfach und zu relativ geringen Kosten realisieren. Zum Beispiel durch den Austausch undichter Schläuche und Kupplungen und/oder durch Druckreduzierung. Aber auch Investitionen in neue, wirtschaftlichere Kompressoren mit energieeffizienteren Antrieben und integrierten Wärmerückgewinnungssystemen amortisieren sich in der Regel innerhalb weniger Jahre vollständig. Höchste Zeit also, dass Unternehmen ihre Druckluftversorgung kritisch unter die Lupe nehmen und mit dem Sparen beginnen. Denn das ist in fast allen Fällen möglich und führt schnell zu Kosteneinsparungen in Höhe von vielen (zehn)tausend Euro pro Jahr.

Im Leerlauf oder drehzahlgeregelt?

Da die Kapazität von Druckluftanlagen in der Regel auf den Spitzenbedarf ausgelegt ist, sind viele Anlagen überdimensioniert. Zudem wird häufig ein zu hoher Systemdruck eingestellt, um sicherzustellen, dass auch im hinteren Bereich der Fabrik alles reibungslos funktioniert. Aus energetischer Sicht ist dies nicht ideal, denn jeder Bar über dem Nenndruck bedeutet 7 % höhere Energiekosten. Die Herausforderung, das „ideale System“ mit den niedrigsten Gesamtbetriebskosten (TCO) zu realisieren, beginnt bereits bei der Gestaltung des Kompressorraums. In den meisten Fällen wird man sich für Schraubenkompressoren entscheiden, wobei sich die Frage stellt: Wie viele, wie groß und mit oder ohne Drehzahlregelung? Bevor man sich daran macht, ist es ratsam, im Falle eines Austauschs zunächst ein Luftaudit oder einen Airscan durchzuführen.

Die stationären Kompressoren decken dabei den Grundbedarf an Druckluft, während der drehzahlgeregelte Kompressor die Schwankungen im Druckluftbedarf oberhalb des Nennbedarfs ausgleicht…

Dabei wird der aktuelle Druckluftverbrauch der Produktion durch gezielte Messungen über mehrere Tage hinweg genau erfasst. Dies liefert ein gutes Bild der erforderlichen Kapazität und der Nachfrageschwankungen im Zeitverlauf, auf dessen Grundlage anschließend die ideale Kompressoranlage ausgelegt werden kann. Dabei besteht die Wahl zwischen stationären Kompressoren, die zwischen Leerlauf und Volllast umgeschaltet werden – also quasi ein- und ausgeschaltet werden – und drehzahlgeregelten Kompressoren, bei denen die Leistung an den aktuellen Bedarf angepasst wird. Wichtig ist dabei zu wissen, dass für Kompressoren der Volllastbetrieb die idealste Situation ist, da die aufgenommene Energie in diesem Fall am effektivsten in Druckluft umgewandelt wird. Bei der Verwendung stationärer Kompressoren bedeutet dies jedoch, dass der Druckluftbedarf nahezu konstant sein muss, da die Kompressoren sonst zu oft ein- und ausgeschaltet werden.

In vielen Situationen ist jedoch kein konstanter Bedarf gegeben. Um Schwankungen im Druckluftverbrauch wirtschaftlich ausgleichen zu können, lässt sich die gesamte benötigte Kapazität auf mehrere (kleinere) stationäre Kompressoren verteilen. Über eine intelligente Steuerung werden diese dann je nach Bedarf ein- und ausgeschaltet. Außerdem können ein oder mehrere stationäre Kompressoren mit einem drehzahlgeregelten Kompressor kombiniert werden. Die stationären Kompressoren decken dann den Grundbedarf an Druckluft, während der drehzahlgeregelte Kompressor die Schwankungen im Druckluftbedarf oberhalb des Nennbedarfs ausgleicht. Die aktuellen drehzahlgeregelten Maschinen arbeiten in einem breiten Leistungsbereich von ca. 20 % bis 100 % optimal wirtschaftlich. Wenn in einem Teil der Fabrik dennoch ein (deutlich) höherer Druck benötigt wird, sollten Sie in Erwägung ziehen, nur für diesen Teil Booster einzusetzen.

Innovationen bei Kompressoren

Der Antrieb von Kompressoraggregaten erfolgt in der Regel über Elektromotoren. Waren dies anfangs Standard-Drehstrommotoren (mit oder ohne Frequenzregelung), so wurden in den letzten Jahren neue Elektromotortypen eingeführt, darunter sparsamere (IE3/IE4) Drehstrommotoren sowie Permanentmagnet- und Synchrone Reluktanzmotoren, deren Drehzahl präzise geregelt werden kann. Damit können die Schrauben eines Kompressors direkt, also ohne Zwischenschaltung eines Getriebes, angetrieben werden, was bereits einen erheblichen Wirkungsgradgewinn mit sich bringt. Da bei zweistufigen (ölfreien) Schraubenkompressoren die Kompressorblöcke dadurch auch mit unterschiedlichen Drehzahlen laufen können, wurde der Kompressor als Ganzes noch wesentlich wirtschaftlicher

Ausgestattet mit drehzahlgeregelten Direktantrieben sind die neuen Kompressoren im Vergleich zu einem herkömmlichen stationären Kompressor mit fester Drehzahl und Drehstrommotor bis zu 50 % energieeffizienter. Wendet man darüber hinaus eine Wärmerückgewinnung an, können je nach System zusätzlich etwa 95 % der Wärme aus der Kühlluft und circa 76 % der Wärme aus dem Ölkreislauf zurückgewonnen und für die Raumheizung (über den Heizkreislauf) oder die Erwärmung von Prozessen in der Fabrik genutzt werden.

So müssen beispielsweise Adsorptionstrockner in bestimmten Abständen regeneriert werden, was zusätzlichen Energieaufwand erfordert. Eine Ausnahme bilden die neuesten „energiefreien“ Kompressionswärmetrockner, die die Kompressorwärme zur Regeneration des Trockenmittels nutzen. Zudem gibt es mittlerweile sogenannte Tandemtrockner, bei denen ein Kältetrockner in einem Gerät mit einem Adsorptionstrockner kombiniert ist, wodurch diese Kombitrockner einen deutlich höheren Wirkungsgrad aufweisen als ältere Generationen von Kältetrocknern oder Adsorptionstrocknern.

Messen und überwachen

Um das Verhalten und die Kosten von Druckluftanlagen genau zu erfassen, müssen an verschiedenen Stellen Messungen durchgeführt werden. Dies kann in regelmäßigen Abständen erfolgen, doch wenn man das System wirklich optimieren möchte, muss man auf fest installierte Messgeräte zurückgreifen, einschließlich eines Überwachungssystems mit der dazugehörigen Software. Man kann sich natürlich alle möglichen Szenarien ausdenken und Druck-, Durchfluss- und Feuchtigkeitsmessungen bis auf die Ebene einzelner Maschinenkomponenten durchführen, doch das ist oft nicht notwendig. Was auf jeden Fall gemessen werden muss, sind die aufgenommene Kompressorleistung, der Systemdruck und der Druckluftdurchfluss. Dabei muss man sich bewusst sein, dass Druck, Umgebungstemperatur, Kühlwassertemperatur, Zustand der Ansaugfilter usw. ebenfalls Einfluss auf die Leistungsaufnahme eines Kompressors haben. Um dies zuverlässig messen zu können, ist es wichtig, dreiphasige Leistungsmesser zu verwenden. Diese messen nicht nur kontinuierlich die Stromstärke (A), sondern auch die aktuelle Spannung (V) in allen drei Phasen des Versorgungskabels. Mit solchen Leistungsmessern können der Leistungsfaktor (PF), Spannung, Strom, Cos φ und viele andere elektrische Parameter automatisch gemessen und berechnet werden. Bei der Bestimmung des Leistungsfaktors werden dabei sowohl die Phasenverschiebung des Stroms gegenüber der Spannung (Cos φ) als auch die Verzerrung des Stroms im Vergleich zu einer perfekten Sinuskurve berücksichtigt. Im Idealfall beträgt der Leistungsfaktor 1, aber wenn der Cos φ zu niedrig oder die Gesamtklirrfaktor (THD) zu hoch ist, sinkt der Wert des Leistungsfaktors.

Durchfluss-, Druck- und Temperaturmessgeräte

Die am häufigsten verwendeten Messgeräte für den Druckluftstrom sind thermische Massendurchflussmesser, Wirbelzähler, Differenzdruckmesser, Coriolis-Durchflussmesser, mechanische Durchflussmesser (rotierend) und (Clamp-On-)Ultraschall-Durchflussmesser. Differenzdruckmesser messen den Durchfluss anhand des Druckabfalls über einen Messflansch. Diese Messgeräte werden häufig für Leistungsmessungen gemäß ISO 1217 verwendet. Wenn eine besonders genaue Messung gewünscht wird, sind Coriolis-Messgeräte die richtige Wahl, allerdings sind diese bis zu zehnmal teurer als Massendurchflussmesser. Für die Messung von Druckluft sind thermische Massendurchflussmesser daher am besten geeignet. Sie verfügen über einen großen dynamischen Bereich, messen den Durchfluss auf Basis des Wärmeverlusts und bieten ein attraktives Preis-Leistungs-Verhältnis. Sie sind jedoch empfindlich gegenüber Wasser und Öl und daher nicht für Messungen vor dem Trockner einsetzbar. Für diese Anwendung gibt es Einsteck-Durchflussmesser auf Differenzdruckbasis. Die neuesten Messgeräte sind in der Lage, mehrere Werte zu messen, darunter (bidirektionalen) Durchfluss, Druck, Temperatur und Gesamtdurchfluss.

Artikel von Frank Senteur in „Process Control“ 2 – 2021