Ein erhebliches Energieeinsparpotenzial schlummert in den Druckluftnetzen vieler Unternehmen. Druckluft wird in fast jeder Produktionsstätte genutzt und zählt zu den teuersten Energieformen. Gleichwohl gibt es im Bereich der Druckluft oftmals erhebliche Energieverluste:

● Nichtnutzung der Abwärme (bis 94 %)
● Leckagen (bis 30 %)
● fehlende Kompressorsteuerung (bis 25 %)
● minderwertige Technik (bis 15 %)
● ungenutzte Substitutionspotenziale (bis 15 %)
● Druckverluste (zwischen 6 und 10 % pro bar)

Hohe Einsparpotenziale

Generell ist ein hoher Anteil des Druckluft-Energieverbrauchs am elektrischen Gesamtenergieverbrauch eines Unternehmens ein wichtiger Hinweis auf mögliche ungenutzte Einsparpotenziale. Ein hoher anteiliger Druckluft-Energieverbrauch liegt in der Regel in folgenden Einsatzbereichen vor:

● Druckluftwerkzeuge und -motoren (Schrauber, Schleifer, Bohrer, Meißel etc.)
● Verpackungsmaschinen
● Spritzgussmaschinen
● Textilmaschinen
● pneumatische Förderanlagen
● Zerstäuber und Düsen (Reinigung / Abblasen, Lackierung, Befeuchtung etc.)

Abwärmenutzung bei der Drucklufterzeugung

Die bei der Verdichtung in Kolben-, Schrauben- oder Turbokompressoren entstehende Wärme kann oftmals wirtschaftlich für die direkte Raumbeheizung durch Warmluftheizungen zurückgewonnen werden. Voraussetzung hierfür ist ein luftgekühlter Kompressor, über den die Kühlluft gezielt hinweggeführt wird. Die erwärmte Kühlluft muss über ein Kanalsystem in den zu erwärmenden Raum geführt werden. Dabei ist zu beachten, dass möglichst kurze Wege eingehalten werden. Denn lange Wege bedeuten Druckverluste im Kanal, die wiederum nur durch einen Zusatzventilator zu kompensieren sind. Außerdem treten bei langer Verweilzeit der Kühlluft im Kanal Wärmeverluste auf. Im Sommer kann die Abwärme über eine Weiche im Kanal ins Freie geführt werden.

Heizungswassererwärmung

Bei Schraubenkompressoren mit Öleinspritzung führt das Öl ca. 72 % der zugeführten elektrischen Energie als Wärme ab. Diese Energie kann zurückgewonnen werden, indem das Öl über einen Wärmetauscher geführt wird. Hier kann Heizungswasser auf bis zu 70°C erwärmt werden. Dabei kommt in der Regel ein Plattenwärmetauscher zum Einsatz, der eine sehr hohe Wärmeausnutzung zulässt, platzsparend untergebracht werden kann und hohe Wassertemperaturen ermöglicht.

Zu beachten ist, dass nur dann Heizungswasser erwärmt wird, wenn der Kompressor im Lastbetrieb arbeitet. Da nicht immer Lastbetrieb ansteht und somit auch nicht immer warmes Wasser abgegeben wird, kann die Wärmerückgewinnung hier nur zur Unterstützung des Heizungskreislaufs dienen.

Brauchwassererwärmung

Soll die Abwärme der Drucklufterzeugung zur Brauchwassererwärmung genutzt werden, muss zusätzlich ein Sicherheitswärmetauscher eingesetzt werden. So wird verhindert, dass es bei schadhaften Platten im Wärmetauscher zu einem Durchbruch kommt und sich Wasser und Öl vermischen. Zwischen der Öl- und der Wasserseite befindet sich eine Trägerflüssigkeit, deren Druck sich bei einem Öldurchbruch ändert. Über einen Druckschalter wird ein Signal zum Ausschalten das Systems gegeben. Bei diesem System kann Brauchwasser um ca. 35 K auf ca. 55°C erwärmt werden. Im Gegensatz zur direkten Raumbeheizung und der Erwärmung von Heizungswasser ist eine Amortisation uneingeschränkt über das ganze Jahr möglich.

Energieoptimierte Steuerungen

Energiesparpotenziale ergeben sich auch in den Steuerungen von Kompressorstationen. Man unterscheidet zwischen internen und übergeordneten Regelungen der Kompressoren. Interne Regelungen sind dafür verantwortlich, die jeweilige Kompressoreinheit an die geforderten Luftverbräuche anzupassen. Dabei soll durch eine optimale Koordination der internen Steuerungsvorgänge eine Überlastung der Kompressoreinheit verhindert werden. Aufgabe der übergeordneten Regelung in modernen Kompressorstationen ist, die Einzelanlagen optimal auszulasten und ihren Einsatz gemäß dem tatsächlichen Luftverbrauch zu koordinieren und zu überwachen.

Mit übergeordneten Steuerungen lässt sich durch Druckabsenkung und bessere Koordination ein energetisches Einsparpotenzial von durchschnittlich 12 % ausschöpfen. Optimierte interne Steuerungen können durch Reduzierung der internen Steuerungsverluste Einsparungen von durchschnittlich 15 % erreichen.

Speicherung von Druckluft

Druckluftverbraucher arbeiten häufig extrem diskontinuierlich. Die Förderung von Druckluft mittels Kompressoren muss dabei mit dem diskontinuierlichen Luftverbrauch in Einklang gebracht werden. Vor diesem Hintergrund sind die Speicherbehälter von erheblicher Bedeutung für die Wirtschaftlichkeit einer Druckluftstation dar. Sie sollten eher größer als zu klein ausgewählt werden. Der Druckverlust zwischen Messpunkt der Steuerung und dem Ort der Druckluftspeicherung sollte nicht größer als 0,1 bar sein.

Druckluftaufbereitung

Bei der Druckluftaufbereitung gilt es, die für die jeweilige Anwendung optimale Qualität zu erreichen. Die Grundanforderung besteht zumeist in der Beseitigung von prinzipbedingten Verunreinigungen und Feuchtigkeit aus der Druckluft. Verunreinigungen führen zu Qualitätsminderungen und Störungen bis hin zum Produktionsausfall oder der Unbrauchbarkeit von Produkten.

Energie- und betriebskostenoptimal ist es, die jeweilige Qualitätsanforderung der Anwendung möglichst genau zu erfüllen. Über- und Unterschreitungen der Anforderung erfordern erhöhte Betriebs- oder Energiekosten. Das Einsparpotenzial ist dabei erheblich. Auch durch einen regelmäßigen Wechsel der Filterelemente innerhalb der vorgeschriebenen Intervalle werden deutliche Einsparungen erzielt und somit die Betriebskosten minimiert.

Energieeinsparung bei der Druckluftverteilung

Eine optimale Druckluftverteilung kann durchaus mit einem Stromkabel verglichen werden. Sie ist eine Energieleitung, die möglichst verlustfrei Druckluftenergie transportieren soll, d.h. mit geringster Reduzierung

• des Fließdruckes (Druckabfall durch Leitungsengpunkte),
• der Luftmenge (Leckagen) und
• der Luftqualität (Rost, Schweißzunder, Wasser etc.)

Eine häufig anzutreffende Konstellation sind jedoch effiziente Kompressoren auf der einen Seite und veraltete Druckluftverteilungen auf der anderen Seite. Es ist nicht außergewöhnlich, dass in einem vernachlässigten Druckluftrohrsystem Leckagen von 30 % und Druckabfälle von 2 bar bestehen. So werden bis zu 50 % der eingesetzten Energie vergeudet. Hier entstehen nicht nur unnötig hohe Energiekosten – nach einer Sanierung der Druckluftverteilung könnten rein rechnerisch die Hälfte der Kompressoren stillgelegt werden, d.h. auch der Aufwand für Wartung und ggf. Erneuerung wird auf die Hälfte reduziert.

Mit anderen Worten: Das Druckluftnetz hat großen Einfluss auf die Leistung der Maschinen und die Kosten der Druckluftproduktion. Vor diesem Hintergrund sollte der Durchmesser unter Berücksichtigung des gewünschten Volumenstroms und des zulässigen Druckabfalls ausgewählt werden. Der Druckabfall vom Druckluftbehälter zur Kupplung an der Wandscheibe sollte 0,1 bar nicht übersteigen. Bei optimal ausgelegten Druckluftnetzen unterteilt man den Druckabfall in:

• < 0,03 bar für die Hauptleitung
• < 0,03 bar für die Verteilerleitung
• < 0,04 bar für die Anschlussleitung
• < 0,3 bar für das Anschlusszubehör

Sanierung der Druckluftverteilung

Bei über Jahre "gewachsenen" Druckluftverteilungssystemen aus unterschiedlichsten Werkstoffen, verschiedenen (und nicht optimalen) Durchmessern, mehr oder weniger korrosionsfesten Materialien und unterschiedlichsten Verbindungsarten, kann die Leckagerate zwischen 25 und 35 % liegen.

Große Einsparpotenziale in der Druckluftverteilung können auf Basis einer schnellen Grobdiagnose wie folgt ermittelt werden:

• Luftqualität
• Leckagen
• Druckabfälle

Neben der Art der Druckluftaufbereitung hat auch das Leitungssystem Einfluss auf die Luftqualität bei den Druckluftverbrauchern. Hier stellt sich vor allem die Frage, ob das Leitungssystem korrosionsfest ist. Auch Ölkohleablagerungen bzw. Wasseranfall, Rost oder Zinkgeriesel können die Druckluftqualität mindern.

Durch eine Lastaufzeichnung der Kompressoren, die dann mit den vorhandenen Abnahmen verglichen wird, kann zudem die Leckagemenge bestimmt werden. Dabei sollte sowohl bei „geöffneten" wie auch „geschlossenen" Verbrauchern gemessen werden, da Leckagen am Anschlusszubehör und in den Maschinen die Messungen verfälschen könnten. Als „Leckagen" können dabei durchaus auch Überverdichtungen an den Werkzeugen betrachtet werden. Ein Werkzeug, das 6 bar benötigt, aber mit 7 oder 8 bar beaufschlagt wird, vergeudet erhebliche zusätzliche Luftmengen.

Durch zu enge Querschnitte kann zudem ein erheblicher Druckabfall entstehen. Eine typische Ursache in „gewachsenen" Netzen ist, dass im Laufe der Zeit immer mehr Verbraucher an immer längere Hauptleitungen angeschlossen wurden, ohne dass diese den Anforderungen entsprechend neu dimensioniert wurden. Eventuell wurde sogar nur die Kompressorenleistung erhöht.

Nach Vorlage der Diagnose, unter Berücksichtigung aller drei Kriterien Luftqualität, Leckagen und Druckverluste, kann eine wirtschaftlich sinnvolle Sanierung geplant werden: Bei Zusammentreffen aller Negativerscheinungen ist möglicherweise unter Kosten-/Nutzengesichtspunkten ein neues Netz im Vergleich zu einer Teilsanierung die wirtschaftlichste Lösung. Sanierungen kosten oft erheblich weniger als die jahrelange Energievergeudung – die Amortisationszeiten sind sehr kurz.

Gesamtsystemoptimierung

Neben dem Einsatz energieeffizienter Einzelkomponenten bei der Erzeugung, Aufbereitung, Verteilung und Nutzung der Druckluft kommt der optimalen Abstimmung aller Komponenten untereinander eine besondere Bedeutung zu. Die Summe effizienter Komponenten führt nicht zwangsläufig zu einem vernünftigen Gesamtergebnis. Das vorhandene Optimierungspotenzial ist dabei beträchtlich.

Das Energiekonzept ist nicht als abgeschlossene Einheit zu betrachten, sondern muss z.B. in Verbindung mit einer eventuell möglichen Wärmerückgewinnung betrachtet werden. Anhand moderner Leittechnik kann die Verfügbarkeit der Anlage deutlich erhöht werden. Dabei ist die größte Verdichtereinheit abzusichern bzw. für diese die entsprechende Anlagenredundanz bereitzustellen. Eine entsprechende Ausfallsicherheit kann durch geschickte Verschaltung des Verteilernetzes (Vermaschung) erzielt werden.

Organisatorische Änderungen

Zur optimalen Ausschöpfung des Einsparpotenzials ist es sinnvoll, die Zuständigkeit der gesamten Drucklufttechnik (Erzeugung, Verteilung, Verbraucher) betrieblich in einer Hand verantwortlich zu konzentrieren. Zudem hat sich in vielen Unternehmen gezeigt, dass oftmals der Stellenwert der Druckluftanlagen aus Sicht der Geschäftsführung gering ist. Eine weitere Möglichkeit ist vor diesem Hintergrund die Einsetzung eines Druckluft-Beauftragten.

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Als Download finden Sie auf dieser Seite ein Excel-Programm, mit dem Sie die Wirtschaftlichkeit der Wärmeauskopplung bei Druckluftkompressoren grob abschätzen können.

Anlagen

Wärmerückgewinnung Druckluftkompressor [57,50 kb]