Druckluft-Kosten unter Druck

Betriebskosten für Druckluft reduzieren

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09.11.2017 Der Trocknen von Druckluft ist ein wichtiger Schritt, mit dem Betreiber ihre Maschinen und Prozesse schützen. Allerdings verbraucht dieser Vorgang auch Energie, was sich gerade bei 24/7-Betriebszuständen schnell hohe Kosten verursachen kann. So kann die Auswahl des richtigen Trockners schnell zum Wettbewerbsvorteil werden.

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Entscheider-Facts für Betreiber

  • Die sorgfältige Auswahl eines auf die jeweilige Anwendung maßgeschneiderten Trockners kann zuverlässige und konsistente Prozesse sicherstellen und gleichzeitig den Energieverbrauch reduzieren.
  • Es gibt nicht die eine optimale Trocknertechnologie für alle Einsatzszenarios, aber Betreiber können erhebliche Kosteneinsparungen realisieren, wenn sie die verfügbaren Möglichkeiten erst einmal verstanden haben.

Pneumatik

Bild: Natis + XtravaganT – Fotolia

Druckluft benötigt praktisch jede chemische Anlage. Dabei können sich die Kosten ihrer Erzeugung und Aufbereitung leicht auf bis zu 30 % der Energie-Gesamtkosten belaufen. Die Gestaltung einer Druckluftanlage, die effizient und zuverlässig alle Prozessanforderungen erfüllt, ist daher ein zentraler Faktor für die Gesamteffizienz der Anlage. Um sowohl die Ausrüstung als auch die Prozesse eines Chemiewerks vor Schäden durch austretendes Kondensat oder Öl zu schützen, müssen Betreiber zwingend getrocknete Druckluft verwenden. In der Regel kommen hier Kältetrockner zum Einsatz, um der Luft die Feuchte zu entziehen, bevor sie in das Rohrleitungsnetz gelangt. Angesichts der zahlreichen verfügbaren Modelle, die der Markt bereithält, kann sich die Auswahl des am besten geeigneten Trockners ganz entscheidend auf die Betriebskosten auswirken. Das gilt im Besonderen für Anlagen im Dauerbetrieb, bei denen die von den Trocknern verbrauchte Energie einen signifikanten Anteil der gesamten Betriebskosten ausmacht.

Hoher Invest – hohe Einsparung

Im Vergleich zu ungeregelten Modellen bieten geregelte Trockner eine höhere Energieeffizienz, da sie sich jeweils an die benötigte Druckluftmenge anpassen können. Aber auch hier gibt es unterschiedliche Typen, von denen nicht alle dasselbe Niveau an Energieeinsparungen bieten. Die optimale Trocknereffizienz hängt sowohl von der benötigten Druckluftmenge, als auch den Umgebungsbedingungen ab. Da der Kältemittel-Kompressor eines nicht geregelten Trockners unabhängig von der Last im System immer mit 100 % Leistung arbeitet, verbraucht diese Lösung durchgehend die maximale Energie. Trocknertechnologien mit regelbarem Betrieb können den Energieverbrauch dagegen um bis zu 90 % senken. Während solche Geräte zwar vergleichsweise hohe Anfangsinvestitionskosten verursachen, stellen sie aufgrund der eingesparten laufenden Betriebskosten trotzdem eine attraktive Alternative dar, die sich häufig in weniger als einem Jahr amortisiert.

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Die Hybrid-Lösungen kombinieren Kälteverfahren mit Absorptionstechnologie. Bild: SPX Flow

Warum Druckluft trocknen?

Das Trocknen der verwendeten Druckluft ist für die Zuverlässigkeit und Qualität vieler Prozesse unverzichtbar. Feuchtigkeit ist die häufigste Verunreinigung im Luftstrom, aber auch Staub sowie andere Verunreinigungen wie Ölnebel können auftreten. Da die Luft durch die Druckbeaufschlagung abkühlt, kondensiert die Feuchtigkeit aus und schlägt sich als Flüssigkeit in den Rohrleitungen nieder. Daraus ergibt sich eine ganze Reihe an Problemen. Beispielsweise kann das entstandene Kondensat bei niedrigen Temperaturen gefrieren oder zusammen mit anderen Chemikalien im Luftstrom gefährliche, korrodierende Lösungen bilden. Aber selbst wenn keine Flüssigkeit auskondensiert, können die Wassernebel im Druckluftsystem zur Korrosion in den Leitungen und sonstigen Anlagenkomponenten führen.

Darüber hinaus ist feuchte Luft Brutstätte für Bakterien. Im Unterschied zu sonstigen Betriebsmedien stellen Unternehmen Druckluft im Werk selbst her. Das heißt, die Qualität dieser Luft wird unmittelbar vom Anlagenbetreiber und durch das von ihm gewählte System bestimmt. Wenn die Druckluft aufgrund der Anwendung so sauber und trocken wie möglich sein sollte, sind die Kosten für eine solche besonders hohe Luftqualität nicht unerheblich. Trockner der Klasse 1 nach ISO 8573-1 senken den Restwassergehalt auf 0,003 g/m3 mit einem Drucktaupunkt von -70 °C. Der dazu verwendete Trockner kann jedoch bis zu 30 % der gesamten Verdichtungsenergie verbrauchen – und damit signifikante Betriebsgemeinkosten verursachen. Daher sollte die Trocknerlösung möglichst genau den Anforderungen der zugehörigen Prozesse entsprechen.

Herkömmliche Trocknungstechnologien

Trockner, die ein Kältemittel verwenden, um die Luft herunterzukühlen, sind hier die gängigste Technologie. Das Kältemittel ermöglicht ein Auskondensieren der Feuchtigkeit, woraufhin der Trockner das entstandene Kondensat ableitet. In ungeregelter Ausführung stellt ein solcher Kältetrockner den Einstieg in die Trocknungstechnologie dar. Wie aber bereits erläutert, ist dies unter Umständen nicht die beste Wahl. Denn in jeder Produktionsphase, die weniger als 100 % Druckluftmenge benötigt, vergeudet ein solches System Energie. Daher besteht der nächste logische Schritt darin, nach Trocknern zu suchen, die auf den Bedarf des Systems reagieren können.

Ungeregelte Kältetrockner bieten den Vorteil eines praktisch konstanten Taupunktes. Demgegenüber bietet ein geregelter Kältetrockner jedoch eine erheblich höhere Energieeffizienz und Nachhaltigkeit. Es gibt zwei Verfahren, mit denen ein Trockner auf einen schwankenden Druckluftbedarf reagieren kann: entweder unter Nutzung einer thermischen Masse oder mittels eines regelbaren Frequenzumrichters. Trockner mit thermischer Masse nutzen ein Speichermedium, mit dem sie die Kühlleistung bevorraten können, die über den Bedarf der Druckluftmenge hinausgeht. Ist dieses Medium ausreichend heruntergekühlt, wird es verwendet, um die Feuchtigkeit aus der Luft zu kondensieren, während der Kompressor selbst abgeschaltet ist, um Energie zu sparen. Im Vergleich zu einem ungeregelten Trockner ist es so möglich, mehr als 80 % der Energie einzusparen.

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Die Geräte der Flex-Serie arbeiten auch dann, wenn der Kompressor stillsteht – dank Phasenwechselmaterialien. Bild: SPX Flow

Kosten nach unten regeln

Trockner mit thermischer Masse kommen in der Praxis häufiger zum Einsatz als frequenzgeregelte, da sie ein größeres Energiesparpotenzial bieten. Das liegt darin begründet, dass der regelbare Frequenzumrichter zwar die Drehzahl des Kältemittel-Kompressors bedarfsabhängig erhöhen beziehungsweise reduzieren kann, jedoch nicht unter 50 %, da sonst das Schmiersystem des Kompressors in Mitleidenschaft gezogen würde. Dennoch liegt die erreichbare Energieeinsparung bei rund 60 % im Vergleich zu einem ungeregelten Trockner.

Ganz gleich welchen Typus des Kältetrockners der Betreiber wählt, ist der Taupunkt auf circa 3 °C nach unten begrenzt. Bei niedrigeren Temperaturen würde das Kondensat im Luftstrom gefrieren und somit nicht abgeleitet. Wird ein noch niedrigerer Taupunkt benötigt, sind Absorptionskühler die gängigste Lösung. Diese Technologie verwendet ein Trocknungsmittel, um die Feuchte aufzunehmen, sodass kein abfließendes (oder gefrierendes) Kondensat auftritt. Allerdings gelten für Absorptionskühler höhere Anschaffungskosten und eine geringere Energieeffizienz als für geregelte Kältekühler, sodass sie insgesamt eine kostenintensivere Lösung darstellen.

Innovationen der Trocknungstechnologie

Um einige der oben genannten Einschränkungen herkömmlicher Trocknungstechnologien zu überwinden, hat SPX Flow eine Lösung auf den Markt gebracht: Scrollkompressor-Trockner bieten eine ähnliche Taupunktkonstanz wie ein ungeregelter Trockner und überwinden die Drehzahlbegrenzung von 50 % frequenzgeregelter Trockner. Mittels Verdampfer, Temperaturfühler und eines digitalen Scrollkompressors passen sie den Stromverbrauch an den Bedarf von 0 bis 100 % Luftstrom an. Ein digitaler Scrollkompressor verwendet zwei ineinander verschachtelte Spiralen, zwischen denen die durchströmende Luft verdichtet wird. Ein Trennen der beiden Hälften unterbricht die Verdichtung, der lastfreie Motor bleibt jedoch eingeschaltet, sodass das Schmiermittel weiter durch die Maschine strömt, während diese nur rund 10 % der Volllast-Energie verbraucht.

Der Einsatz von Phasenwechselmaterialien (Phase Change Materials – PCM) ermöglicht dabei eine erhöhte Leistung und verbesserte Energieeffizienz. Ein PCM-Trockner absorbiert latente Wärme und verwendet diese, um bei unveränderter Temperatur vom flüssigen in den festen Aggregatzustand überzugehen. Trockner dieser Technologie ermöglichen eine höhere Energieeffizienz, da Kältemittel-Kompressor und Verflüssiger nur in Betrieb sind, um das PCM herunterzukühlen und erstarren zu lassen. Im festen Zustand absorbiert das PCM die latente Wärme aus dem Luftstrom und beginnt langsam zu schmelzen. Dieser Vorgang benötigt nur wenig Energie – und da sich die Geschwindigkeit des Phasenwechsels proportional zum Luftstrom verhält, passt sich die Effizienz des Trockners automatisch an den Luftbedarf der Anlage an.

Das PCM selbst ist ein umweltfreundliches Material, das bei über 0 °C schmilzt und verfestigt und damit ohne Glykol, Glykolpumpe, Tank oder Heißgas-Bypass auskommt; dadurch erhöht sich die Effizienz des Trockners weiter. Die Anzahl der Komponenten in den Trocknern der PCM-Flex-Serie wurde minimiert, um die Zuverlässigkeit zu erhöhen und die Wartung zu erleichtern. Alle Geräte der Serie haben zusätzlich eine integrierte Steuereinheit mit klarem LCD für einfache Überwachung und Bedienung. Weitere Ausstattungsmerkmale wie USB-Port, RS-485-Schnittstelle und optionale Bluetooth-Schnittstelle ergänzen die Geräte der Serie. Sie sind nicht nur wirtschaftlicher im Betrieb als alternative Kältedrucklufttrockner, sondern passen sich automatisch an Volumenstrom- und insbesondere Eintritts- sowie Umgebungstemperaturschwankungen an, um somit die Energieeinsparung zu maximieren.

Kombination für Kostenoptimierung

Abhängig von den Umgebungsbedingungen (niedrigere Umgebungstemperaturen bedeuten eine höhere Effizienz des Trockners, da das PCM langsamer schmilzt), kann ein solcher Trockner im Vergleich mit einer ungeregelten Variante mehr als 90 % Energie einsparen. Bei 12,5 °C und 40 % Luftstrom würde das PCM beispielsweise zu rund 85 % der Zeit zum Trocknen der Luft genutzt, sodass nur minimale Energie verbraucht wird. Darüber hinaus verlängert dieses Funktionsprinzip die Lebensdauer des Kältemittel-Kompressors, da er im Vergleich zu anderen Technologien nur in relativ kurzen Zeitspannen läuft. Um Taupunkte bei niedrigerem Druck zu erreichen und gleichzeitig die Energieeffizienz zu optimieren, sind mittlerweile auch hybride Trocknertechnologien erhältlich. Hierbei kombiniert der Hersteller Kältemittel- und Absorptions-Trocknungsverfahren: Mit dem energieeffizienteren Kälteverfahren kühlt das System die Luft zunächst auf 3 °C, wodurch bereits circa 85 % des Wassers aus der Luft auskondensieren; dann trocknet die Absorptionstechnologie die Luft weiter. Die Absorberstufe benötigt zwar mehr Energie (8 % im Vergleich zu 2,5 % für die Kältemittelstufe), kann der Luft aber bis zu 15 % weitere Feuchte entziehen, wobei der Drucktaupunkt bis zu -40 °C gesenkt wird.

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Heftausgabe: November 2017

Über den Autor

Christian Huhn, Sales & Marketing Manager EMEA, SPX Flow Technology
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