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Druckluftkosten radikal gesenkt

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02.08.2011 Viele Unternehmen erzeugen ihre Druckluft noch immer viel zu teuer, weil sie ausschließlich Schraubenkompressoren mit fester Drehzahl einsetzen, und das in vielen Fällen sogar mit erheblicher Überdimensionierung. Bei den Alligator Farbwerken produzieren inzwischen in einer neuen mustergültigen Druckluftstation zwei drehzahlgeregelte Schraubenkompressoren die Arbeitsluft. Und die Förderluft wird jetzt von einem separaten Rotationsverdichter erzeugt.

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Entscheider-Facts Für Anwender

  • Das alte Druckluftkonzept bei den Alligator Farbwerken arbeitete sehr unwirtschaftlich, weil die zwei Schraubenkompressoren Leerlaufanteile von 60 bzw. 56,5 % auswiesen.
  • Berechnungen ergaben, dass die Energiekosten der Drucklufterzeugung von damals rund 14.000 Euro/Jahr durch ein neues Konzept um mindestens 36 % auf rund 9.000 Euro/Jahr gesenkt werden konnten.
  • Bei der neuen Anlage wurde der drehzahlgeregelte Schraubenkompressor Variable 65 als Spitzenlastanlage eingesetzt, während die bereits vorhandenen alten Kompressoren mit fester Drehzahl weiterhin am alten Standort als Grundlastanlagen betrieben wurden.
  • Für die Erzeugung der Förderluft mit Höchstdruck von 1,8 bar wurde ein zusätzlicher Rotationsverdichter installiert.

Die Alligator Farbwerke in Enger produzieren mit rund 155 Mitarbeitern jährlich rund 40.000 t Dispersionsfarben sowie Dispersionsputze und gehört heute zu den Deutschen Amphibolin-Werken in Ober-Ramstadt. Die für die Produktion benötigte Druckluft und auch die Förderluft zum Entleeren von Silofahrzeugen wurde bis Anfang des Jahres 2007 mit zwei ungeregelten Schraubenkompressoren – Baujahr 1981, Antriebsleistungen je 110 kW, Höchstdruck 10 bar – erzeugt. Der Förderluftanteil wurde dann über Druckminderer auf nur noch 2 bar entspannt. Dieses Konzept arbeitete sehr unwirtschaftlich, weil die beiden Schraubenkompressoren Leerlaufanteile von 60 bzw. 56,5 % auswiesen. Darüber hinaus  wurde zu viel elektrische Energie in die Produktion des Förderluftanteils investiert. „Aus diesem Grund wurde ein neues Druckluftkonzept für unser Unternehmen dringend erforderlich. Zwei Prämissen standen für uns von Anfang an fest: Zum einen wollten wir unsere Arbeitsluft künftig nur noch mit drehzahlgeregelten Schraubenkompressoren erzeugen. Außerdem sollte die Förderluft getrennt produziert werden,“ betont Karlheinz Niemeyer, Bereichsleiter Produktion bei Alligator.

Mehr als ein Drittel
Energie eingespart

Für ein maßgeschneidertes neues Druckluft-Konzept wurden zunächst im September 2006 in sorgfältigen Messungen über eine Woche folgende Basiswerte ermittelt:
Die Drucklufterzeugung schwankte im Tagesverlauf stark zwischen 3 und 32 m³/min. Diese Bedarfsbandbreite wurde überwiegend am Vormittag zwischen 5 und 13 Uhr beobachtet. Dann reduzierte sich der Bedarf deutlich auf unter 15 m³/min. Allerdings enthielten diese Werte auch den später druckreduzierten Förderluftanteil.
Die Stromaufnahme bewegte sich im Tagesverlauf überwiegend zwischen 80 und 200 A, erreichte jedoch mehrfach Spitzenwerte von über 500 A.
Berechnungen ergaben, dass die Energiekosten der Drucklufterzeugung von damals rund 14.000 Euro/Jahr durch ein neues Konzept um mindestens 36 % auf rund 9.000 Euro/Jahr gesenkt werden konnten, und das bei dem damals niedrigen Energiepreis von nur 5 Cent/kWh. Dieses Einsparpotenzial sollte sich zusätzlich durch eine getrennte Erzeugung der Förderluft mit einem Höchstdruck von nur 1,8 bar weiter deutlich erhöhen. „Durch die Ergebnisse dieser Messungen und die ermittelten Energie-Einsparungen sahen wir dringenden Handlungsbedarf. Nachdem das neue Druckluftkonzept realisiert war, konnten wir die Energiekosten des Werkes deutlich reduzieren. Im Jahr 2009 erzielten wir Einsparungen von insgesamt rund 15 %. Daran ist unser neues Konzept ganz wesentlich beteiligt“, erläutert Niemeyer.

Deutliche Vorteile des völlig neuen Druckluftkonzepts
In einem ersten Planungsansatz sollte zunächst nur eine neue Kompressorzentrale gebaut und wieder mit den alten ungeregelten Schraubenkompressoren bestückt werden. In enger Zusammenarbeit mit einem Druckluftservice wurden aber sehr schnell die wirtschaftlichen Vorteile eines völlig neuen Druckluftkonzeptes deutlich. Bereichsleiter Niemeyer erkannte als ausgewiesener Elektrofachmann auch sofort die großen Vorteile drehzahlgeregelter Schraubenkompressoren: „Der Investitionsaufwand ist zwar zunächst höher, rechnet sich jedoch sehr schnell durch deutlich reduzierte Energiekosten, die bei mehrjähriger Betrachtung rund 80 % der Gesamtkosten eines Kompressors ausmachen.“ Daraufhin wurde das neue Druckluftkonzept von Alligator in zwei Schritten realisiert. Nachdem die Räumlichkeiten für die neue Druckluftstation realisiert worden war, installierte man dort zunächst nur den ersten drehzahlgeregelten Schraubenkompressor des Typs Variable 65. Diese neue Anlage wurde als Spitzenlastanlage eingesetzt, während die bereits vorhandenen alten Kompressoren mit fester Drehzahl weiterhin am alten Standort als Grundlastanlagen betrieben wurden.
Die einstufig verdichtenden, direkt getriebenen Variable-Anlagen stehen mit Antriebsleistungen von 15 bis 315 kW zur Verfügung. Sie sind ab 40 kW auch in wassergekühlter und ab 315 kW nur noch in wassergekühlter Ausführung lieferbar. Die über einen integrierten Frequenzumrichter gefahrenen Anlagen vermeiden teuere Stromspitzen zuverlässig durch Sanftanlauf „bei Null“, halten den bedarfsabhängig eingestellten Druck mit einer Spreizung von lediglich ± 0,2 bar exakt ein und erzeugen immer exakt nur soviel Druckluft, wie aktuell benötigt wird. Auf diese Weise reduzieren sie kostenintensive Leerlaufzeiten auf ein vernachlässigbares Minimum. Deshalb sparen die drehzahlgeregelten Anlagen bis zu 24 % Energie gegenüber ungeregelten Verdichtern.
Für die Erzeugung der Förderluft mit einem Höchstdruck von 1,8 bar wurde ein zusätzlicher Rotationsverdichter installiert. Diese Lösung führte nicht nur zu einer deutlichen Entlastung der vorhandenen Schraubenverdichter, die bisher diesen Förderluftanteil – allerdings zunächst mit einem Druck von 10 bar – zusätzlich produziert hatten. Die getrennte Erzeugung mit dem geforderten Höchstdruck von nur noch 1,8 bar senkte auch den Energieanteil für die Erzeugung der Förderluft deutlich, weil eine Höherverdichtung um 1 bar einen Energiemehrbedarf von etwa 6 bis 7 % erfordert.
Aufgrund der guten Erfahrungen mit der ersten Anlage erfolgte Anfang 2008 die Inbetriebnahme des zweiten baugleichen Schraubenkompressors. Er wurde zusammen mit der bereits ein Jahr alten Anlage in der neuen Station installiert. Nach einem Umbau des Druckluftnetzes konnten dann die beiden alten ungeregelten Kompressoren vom Netz genommen werden. Bei Arbeitsbeginn startet jetzt zunächst die erste Anlage. Sobald sie rund 90 % ihrer Maximalleistung erreicht hat, startet automatisch die zweite Anlage. Anlage 1 fährt schließlich so weit zurück, bis beide Kompressoren mit identischer paralleler Leistung arbeiten. Durch die in den Anlagen integrierte Steuerung Air Control 3 werden beide Anlagen im Grundlastwechsel betrieben. Für eine längerfristig gleichmäßige Nutzung wurde die zweite Anlage jedoch zunächst intensiver betrieben, damit durchzuführende Wartungsarbeiten kostengünstig an einem Termin ausgeführt werden können.

Überfahren  der Aufbereitungs-
komponenten wird vermieden

Die Druckluft wird in einem Druckluftkältetrockner getrocknet, in Submikro- und Aktivkohlefiltern ölfrei aufbereitet und vor dem Eintritt ins Netz in einem Behälter mit 10 m³ Inhalt gespeichert. Diese Installationsreihenfolge, Kompressor – Trockner – Filter – Behälter, gewährleistet, dass bei einem kurzfristig erhöhten Druckluftbedarf bereits getrocknete, ölfreie Druckluft ausreichend zur Verfügung steht, so dass ein Überfahren der Aufbereitungskomponenten wirksam vermieden wird. Während der Wartung, bei Ausfall des separaten Förderluftkompressors oder bei kurzfristig auftretendem überhöhtem Förderluftbedarf kann auch jetzt noch über eine redundant vorhandene Reduzierstation Druckluft aus dem Arbeitluftnetz (8,5 bar) in das Förderluftnetz (1,8 bar) eingespeist werden.
Zur Minimierung von Leckageverlusten wird das gesamte Betriebsnetz nach dem abendlichen Arbeitsende vollautomatisch über die zentrale Leittechnik durch ein automatisch betätigtes Absperrventil in der Druckluftstation getrennt und rechtzeitig vor Arbeitsbeginn in zwei Stufen wieder geöffnet. Um ein unzulässiges schlagartiges Befüllen des Betriebsnetzes zu vermeiden, öffnet zunächst eine Druckaufbauvorrichtung. Erst dann öffnet das Hauptventil für den normalen Betrieb.
Für die Abdeckung eines zukünftig weiter steigenden Druckluftbedarfs bieten sich für eine Erweiterung der Station zwei Möglichkeiten an: entweder eine zusätzliche geregelte oder eine zusätzliche ungeregelte Anlage. Beide Lösungsansätze würden eine zuverlässige und wirtschaftliche Druckluftversorgung ermöglichen.
Eine zusätzliche geregelte Anlage könnte als baugleiche, gleichberechtigter Kompressor über Grundlastwechsel gefahren werden. Zwei geregelte Anlagen wären dann immer aktiv, die dritte Anlage würde im Stand-by vorgehalten – die Wunschvorstellung von Karlheinz Niemeyer. Für ein allmähliches Angleichen der Betriebsstunden der neuen Anlage an die Laufzeiten der bereits vorhandenen zwei Kompressoren könnte die neue Anlage zunächst als daueraktive Grundlastanlage eingesetzt und zusammen mit einer weiteren geregelten Anlage für die Spitzenlast betrieben werden.

Abwärme ganzjährig genutzt
Bei der Erzeugung von Druckluft werden 94 % der Leistungsaufnahme in nutzbare Wärme umgewandelt. Davon gehen 2 % als Abstrahlungsverluste verloren, 4 % verbleiben in der Druckluft. Die größten Wärmeanteile werden innerhalb der Kompressoren vom Ölkühler (72 %) und vom Druckluftnachkühler (13 %) abgeleitet bzw. vom Elektromotor abgestrahlt (9 %). Ein Schraubenkompressor arbeitet deshalb nur dann mit höchster Wirtschaftlichkeit, wenn möglichst viel dieser nutzbaren Abwärme verwendet wird. Deshalb hatte Alligator die beiden Anlagen mit Plattenwärmeübertragern im Ölkreislauf bestellt. Mit der „abgezapften“ Wärme wird ganzjährig die Rücklauf-Temperatur des Heizungssystems angehoben. Dadurch werden die Kessel zur Warmwasseraufbereitung für die Kantine ganzjährig auf einer erforderlichen Grundtemperatur gehalten. „Diese Aufgabe übernimmt jetzt ausschließlich die Abwärme unserer Schraubenkompressoren und nicht – wie früher – unsere Heizungsanlage. Durch diesen ganzjährig verlustfreien Einsatz der Abwärme der Verdichter sparen wir zusätzlich erhebliche Heizkosten“, kommentiert Niemeyer. Die Zuluft für Verdichtung und Kühlung tritt über ein geschlossenes Kanalsystem direkt in die Kompressoren ein. In den Gehäusen anfallende Strahlungswärme wird durch ebenfalls direkt angeschlossene Abluftkanäle nach draußen geführt. Thermostatisch geregelte Umluftklappen im Kanalsystem gewährleisten auch im Winter optimale Betriebstemperaturen der Schraubenkompressoren.

Heftausgabe: August 2011

Über den Autor

Christian Rau, Almig
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