Schon vor rund zehn Jahren hatte eine Studie [1] für die in Europa installierten Druckluftsysteme ein durchschnittliches Energie-Einsparpotential von knapp 33Prozent ermittelt. Im Rahmen einer Messkampagne der Aktion „Druckluft effizient“ (2000 bis 2004) ergaben sich für die Druckluftversorgung in den Betrieben Einsparpotenziale zwischen 18 und 70Prozent [2]. Auch heute besteht noch immer erheblicher Nachholbedarf; inzwischen bietet aber die Technik mehr Möglichkeiten als je zuvor, die Drucklufteffizienz zu steigern. Mit computergestützten Bedarfsanalysen lässt sich zunächst ermitteln, wie der Druckluftbedarf im Zeitverlauf aussieht, wie wirtschaftlich eine Druckluftstation wirklich arbeitet und inwiefern sich ihre Verfügbarkeit und Effizienz noch erhöhen lässt. Eine spezielle Planungssoftware kann zudem verschiedene Systemvarianten simulieren, miteinander vergleichen und Einsparpotenziale aufzeigen. Durch höherwertige Materialien und verbesserte Fertigungstechniken ist es gelungen, Elektromotoren mit erhöhten Wirkungsgraden zu entwickeln. Um die Energieeffizienzstandards für Asynchronmotoren zu vereinheitlichen, hat die International Electrotechnical Commission (IEC) die internationale Norm IEC 60034-30 geschaffen. Darin sind die Wirkungsgradklassen IE1 bis IE3 (höchste Klasse) festgelegt. In der EU werden für Antriebe mit Leistungen von 7,5 bis 375kW Motoren, die Klasse IE3 entsprechen, ab 2015 Pflicht. Ein renommierter Hersteller baut bereits seit 2010 IE3-Motoren in seine neuen Schraubenkompressoren ein und wird diese Umrüstung im Jahr 2011 abschließen. Großen Einfluss auf die Energieeffizienz der Kompressoren hat auch die Kraftübertragung. So kommen 1:1-Antriebe, bei denen Antriebsmotor und Kompressorblock mit gleicher Drehzahl laufen, ohne die Übertragungsverluste eines Getriebes oder Riemenantriebs aus. Zudem kann die Energieausbeute des Kompressorblocks durch weiteres Optimieren des Schraubenläuferprofils erhöht werden. Zusätzliche Einspareffekte lassen sich durch Optimieren der Nebenaggregate für die Kühlung und durch Minimieren interner Druckverluste erreichen.
Flexible interne Steuerungen
Steuerungen auf Industrie-PC-Basis erlauben, mit bis zu fünf programmierten Varianten zu arbeiten und so die Förderleistung des Kompressors energiesparend dem Druckluftverbrauch anzupassen. Eine neue Steuerung dieser Bauart hat weitere Vorteile: Variable Schnittstellen und steckbare Kommunikationsmodule erhöhen die Flexibilität beim Anbinden an maschinenübergreifende Managementsysteme, Computernetzwerke, Ferndiagnose- und Fernüberwachungssysteme. Außerdem ermöglicht ein RFID-Lesegerät, den Service zu standardisieren sowie die Service-Qualität professionell zu sichern und weiter zu erhöhen. Durch Betriebsüberwachung der Kompressoren, Ansaugluftfilter, Fluidabscheider und -filter bieten diese Steuerungen eine gute Basis für vorausschauende, bedarfsorientierte Wartung.
Effiziente Drucklufttrocknung
Die Drucklufttrocknung beeinflusst die Energieeffizienz ebenfalls erheblich. Bei der Kältetrocknung, dem wirtschaftlichsten Verfahren für Drucktaupunkte bis +3°C, haben Trockner mit energiesparenden Aussetzregelungen und hoher Anpassungsfähigkeit an den Druckluftverbrauch sowie der Einsatz neuer umweltschonender Kältemittel zu deutlichen Energieersparnissen geführt. Aber auch für Drucktaupunkte bis –40°C gibt es ein effizientes Hybridverfahren aus Kälte- und Adsorptionstrocknung: Dabei sorgt zunächst ein Kältetrockner kostengünstig für einen Drucktaupunkt von +3°C. Anschließend wird der Strömungsweg zwischen Kondensatabscheider und Luft-Luft-Wärmetauscher im Kältetrockner unterbrochen, und die bereits vorgetrocknete Druckluft strömt zum Einlass des Adsorptionstrockners. Da der Kältetrockner schon etwa 85Prozent der ursprünglichen Druckluftfeuchte entfernt hat, verbleiben für den Adsorptionstrockner nur noch weitere 15Prozent, um den Drucktaupunkt von –40°C zu erreichen. Kälte-Adsorptionstrockner sind bereits für Volumenströme ab 12m³/min erhältlich. Bei höheren Außentemperaturen bieten sie zudem die Möglichkeit, den Adsorber-Teil gänzlich zu umgehen und nur den Kältetrockner zum Entfeuchten der Druckluft einzusetzen. Mit einem solchen Kombitrockner können erhebliche Energiekosten eingespart werden: Bei einem Durchflussmenge von 30m³/min (bei 7bar) und einem Drucktaupunkt von –40°C sind es gegenüber einem vergleichbaren warmregenerierenden Adsorptionstrockner jährlich über 14.000Euro und gegenüber einem kaltregenerierenden Adsorptionstrockner sogar mehr als 25.000Euro. Der Ermittlung liegen dabei folgende weitere Rahmenbedingungen zugrunde: maximale Umgebungstemperatur 30°C, maximale Drucklufteintrittstemperatur 40°C, 6.000Bh/a, Strompreis 0,15Euro/kWh.
Optimiertes Druckluft-Management
Über die Drucklufteffizienz entscheidet nicht zuletzt das „Teamwork“ aller Komponenten. Hier setzt ein maschinenübergreifendes Managementsystem mit einer neuartigen 3-D-Regelung an. Diese berücksichtigt erstmals alle für die Optimierung der Energieeffizienz relevanten Einflussfaktoren: Sie minimiert die mit Start und Stillsetzung der Kompressoren verbundenen Schaltverluste, reduziert den zusätzlichen Energieaufwand für Druckflexibilität und minimiert Schalt- und Regelverluste in Form von Leerlauf- und FU-(Regel-)Verlusten. Das System analysiert unter Berücksichtigung dieser Dimensionen ständig, wie sich der Energieeinsatz minimieren lässt, und steuert die Kompressoren entsprechend. So ergibt sich selbst bei schwankendem Druckluftbedarf eine hervorragende Energieeffizienz. Als Nebeneffekt wird die Schalthäufigkeit verringert, also die Anzahl der Starts, Last-/Leerlauf-Umschaltungen und Stillsetzungen. Zusätzlich strebt das System eine noch höhere Druckgüte an. Entscheidend ist dabei, dass der von der Anwendung vorgegebene Bedarfsdruck möglichst nie unterschritten wird. Ein Problem dabei war bisher zumeist die systembedingte Reaktionsträgheit von Kompressoren, speziell in Form von Wartezeiten zwischen Startsignal und Förderbeginn. Dies berücksichtigt die 3-D-Regelung durch vorausschauende Schalthandlungen; sie werden adaptiv so optimiert, dass der Bedarfsdruck in bisher unerreichter Güte eingehalten wird, womit sich erheblich Energie einsparen lässt. Mit der serienmäßigen Datenvisualisierung sind die Betriebszustände der Anlagen, der Status des Bedienfelds, die Entwicklung des Netzdrucks während der letzten Betriebsphase, Wartungs- und Störungsmeldungen zu erkennen. Eine optionale Ausstattung ermöglicht zudem, rückwirkend bis zu einem Jahr kennwortgeschützte Daten abzurufen, grafisch darzustellen und einen detaillierten Kostenstellenbericht zu erhalten. Besonders vorteilhaft ist die Darstellung der spezifischen Leistung aller angeschlossenen Kompressoren im Vergleich zu einem Referenzwert: Damit lässt sich sofort erkennen, ob das Druckluftsystem energetisch im grünen Bereich liegt. 100Prozent der einem Kompressor zugeführten Energie werden in Wärme umgewandelt. Bei luft- und fluidgekühlten Schraubenkompressoren finden sich ca.76Prozent davon als Wärme im Kühlfluid und werden diesem im Fluidnachkühler entzogen. Weitere 15Prozent können als Wärme über den Druckluftnachkühler zurückgewonnen werden. Bis zu 5Prozent gibt der Elektromotor als Wärmeverlust ab. Vollgekapselte Schraubenkompressoren ermöglichen es sogar, selbst diesen Energieanteil mit gezielter Kühlung zurückzugewinnen. Damit stehen bis zu 96Prozent der zugeführten Energie zur Zweitnutzung bereit. Nur etwa 2Prozent gehen durch Wärmestrahlung verloren, ungefähr 2Prozent verbleiben als Wärme in der Druckluft.Am effizientesten lassen sich die 96Prozent zurückgewonnener Energie direkt nutzen, indem die vom Kompressor erwärmte Kühlluft mit einem Kanalsystem unmittelbar in benachbarte Räume geleitet wird. Natürlich kann die Abwärme auch in Warmwasser-Heizsysteme und Brauchwasseranlagen eingespeist werden. Je nachdem, ob das Wasser für Heizzwecke, als Dusch- und Waschwasser oder bei sehr empfindlichen Prozessen verwendet werden soll, kommen Platten- oder Sicherheitswärmetauscher zum Einsatz. So sind ohne zusätzlichen Energieaufwand etwa 70 bis 80Prozent der installierten Kompressorleistung wärmetechnisch nutzbar. Leckverluste können zu beträchtlichem kWh-Mehrverbrauch führen. Mit modernen Suchgeräten lassen sich Leckagen aber gut orten – auch wenn sie nie ganz zu vermeiden sein werden. Zudem gibt es weitere Ursachen von Energieverlusten: Dazu zählen etwa Verunreinigungen im Leitungsnetz, zu enge Rohrquerschnitte und eine strömungstechnisch ungünstige Rohrverlegung. Auch diese Mängel sollten beseitigt bzw. von vornherein vermieden werden.
Einsparmöglichkeiten systematisch nutzen
Durch systematisches Nutzen der beschriebenen Einsparmöglichkeiten könnten die Betreiber von Druckluftsystemen vorhandene Effizienzpotenziale deutlich besser ausschöpfen. Umgerechnet auf ganz Europa geht es um eine Einsparsumme von etwa 25Mrd. kWh pro Jahr. Würde darüber hinaus nur die Hälfte aller Betreiber ihre Kompressoren mit einem System zur Wärmerückgewinnung ausstatten, ließen sich europaweit jährlich weitere 32Mrd. kWh einsparen.☐
Literatur
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