Energieeffizienzmaßnahmen in der Industrie

Querschnittstechnologie Druckluft

Nachdem wir in unserem ersten Artikel der Blogserie „Energieeffizienzmaßnahmen in der Industrie“ die Gesamtsituation in Deutschland beleuchtet haben möchten wir in diesem Artikel auf die Querschnittstechnologie Drucklufterzeugung und -verteilung eingehen.

 

Die Nutzenergie Druckluft hat ein sehr breites, wenn nicht das breiteste Anwendungsspektrum in der Industrie sowie dem verarbeitenden Gewerbe und ist damit ein unverzichtbares Medium. Dem breiten Anwendungsgebiet stehen allerdings sehr hohe Kosten gegenüber. Zurückzuführen sind die hohen Kosten insbesondere auf den niedrigen Wirkungsgrad bei der Erzeugung von Druckluft aber auch auf den flüchtigen Eigenschaften des Mediums Luft.

Um die vorhandenen Potentiale voll ausschöpfen zu können ist es notwendig das Druckluftsystem ganzheitlich zu betrachten. Grundsätzlich unterscheidet man hier nach vier Bereichen:

 

  • Drucklufterzeugung
  • Druckluftaufbereitung
  • Druckluftverteilung
  • Druckluftverbraucher

 

In einem ersten Schritt sollte die Ist-Situation der Anlagenteile in jedem Bereich erfasst werden. Ein Schema der vorhandenen Erzeugungsanlagen, dem Verteilsystem und den Druckluftverbrauchern ist hier angeraten. Mit den gängigen Messtechniken können die wichtigsten Parameter wie Fließdruck, Volumenstrom aber auch die Leistungsaufnahme (Stromverbrauch) erfasst und visualisiert werden. Besonders das Lastprofil des Kompressors kann hier genutzt werden um den Betrieb des Kompressors (Leerlauf-, Teil- und Volllastzeiten) zu erfassen. Zudem ist ein besonderes Augenmerk auf die Druckverhältnisse des Systems zu legen. Der notwendige Erzeugungsdruck ist abhängig vom Druckluftbedarf des größten Abnehmers aber auch von dessen Position also der Entfernung zum Kompressor sowie den vorhandenen Leckagen im Verteilsystem. Während der Bestandsaufnahme bietet es sich zudem an die Druckluftqualität (Temperatur, Feuchtigkeit, Öl Anteil) zu erfassen und zu überprüfen, ob diese den Vorgaben der Abnehmer noch genügen.

Ist die Bestandsaufnahme abgeschlossen muss erörtert werden an welchen Stellschrauben durch spezifische Maßnahmen gedreht werden muss, um die Energieeffizienz des Systems zu erhöhen bzw. um den Anspruch an Qualität und Verfügbarkeit auch in Zukunft gerecht zu werden. Neben den Maßnahmen, die zu einer direkten Drucklufteinsparung führen müssen im Rahmen der ganzheitlichen Betrachtung ebenso Synergieeffekte berücksichtigt werden. Beispielsweise einer möglichen Wärmerückgewinnung und der damit verbunden Substitution von anderen Energieträgern wie Öl oder Gas.

 

Im Folgenden möchten wir einen Überblick über die gängigsten Energieeffizienzmaßnahmen geben.

 

Wärmerückgewinnung

Um auf die oben angesprochenen Synergieeffekte zurück zu kommen, fangen wir mit dem Potential der Wärmerückgewinnung bzw. Abwärmenutzung bei Kompressoren an.

Um dieses Potential einordnen zu können, muss berücksichtigt werden, dass bei der Erzeugung von Druckluft etwa 94% der eingesetzten elektrischen Energie in Form von Wärme über das Kühlmedium abgeführt werden, und falls nicht anderweitig genutzt, verloren gehen (Vgl. Abb. 1).

 

Aufgrund des günstigen Temperaturniveaus von ca. 70 – 80°C lässt sich die Abwärme vielseitig verwenden.

 

Warmluftnutzung zur Raumheizung

Eine besonders kostengünstige Art der Wärmerückgewinnung ist die direkte Nutzung der aufgewärmten Luft. Anwendungsbeispiele sind klassischerweise das Aufheizen von anliegenden Betriebsräumen, Trockenkammern oder Lagerräumen. Bei luftgekühlten Kompressoren kann so fast die gesamte Abwärme des Kompressors über Lüftungskanäle direkt als Raumwärme verwendet werden. Dabei ist zu beachten das mit der Entfernung des zu heizenden Raums durch Temperaturverluste und höheren Investitionskosten das Kosten-Nutzenverhältnis deutlich sinkt. Zudem kann die Wärme meist nur im Winter und den Übergangsmonaten verwendet werden. Bei fehlendem Wärmebedarf z.B. im Sommer muss die Wärme nach Außen abgeführt werden.

 

Erwärmung von Brauch und Prozesswasser

Ebenso kann die Abwärme mittels Wärmetauscher (Platten- oder Röhrenwärmetauscher) von dem Kühlmedium (Öl, Wasser, Luft) auf ein anderes Fluid z.B. Heizungs-, Brauch- oder Prozesswasser übertragen werden und diese auf bis zu 70°C erwärmen. Hier bieten sich insbesondere solche Wärmesenken an die Jahreszeitenunabhängig eine ausreichend hohe Wärmemenge benötigen. Beispielhafte Anwendungen sind Zentralheizungssysteme, Warmwasser für Dusch-und Waschräume, Dampfkessel Vorwärmung, Galvanikprozesse, industriellen Reinigungsprozessen aber auch Wäschereien.

 

Jede Maßnahme sollte natürlich separat durch eine Kostennutzenrechnung überprüft werden. Allerdings lässt sich festhalten, dass das Potential zur Wärmerückgewinnung umso größer ist je höher die Einschaltdauer des Kompressors und umso jahreszeitenunabhängiger der Wärmebedarf ist.

 

Energieeffizienzmaßnahmen in der Verteilung

Eine richtig dimensioniertes und regelmäßig gewartetes Verteilsystem ist mindesten so wichtig wie die Erzeugung selbst. Eine EU- Studie hat ergeben das Verteilsysteme in der Praxis häufig ohne das notwendige Wissen der energetischen Zusammenhänge ausgelegt und insbesondere über die Jahre erweitert wurden, sodass bei 80% der Unternehmen die energetischen Verluste auf dem Weg zu Verbraucher bei über 50 % liegen. Ein hohes Energieeffizienzpotential liegt hier insbesondere in der Minimierung

  • des Fließdruckabfalls (Engstellen, Ventile, Armaturen, T-Stücke, etc.),
  • der Luftmengenverluste (Leckagen)
  • sowie der Qualitätsverluste (Wasser, Rost, Öl, etc.).

 

Ein häufig unterschätzter Faktor ist hier die Luftqualität. Kommt es durch fehlerhafte Druckluftaufbereitung oder mangelhafter Qualität im Druckluftnetz zu Verunreinigungen im Netz (Wasser, Öl, Rost) kann die Lebensdauer der Verbraucher stark reduzieren. Vorzeitige Ersatzinvestitionen und/oder dezentrale Wartungseinheiten an der jeweiligen Entnahmestelle sind mit beträchtlichen Zusatzkosten verbunden.

Ein weiteres Einsparpotential besteht insbesondere in Verteilnetzen, die über die Jahre gewachsen sind, sprich immer mehr Verbraucher an immer längere Stichleitungen angeschlossen wurden. Diese Verlängerungen führen ohne Berücksichtigung der notwendigen Dimensionierungsparameter zu einem erhöhten Druckabfall auf dem Weg vom Erzeuger zum Verbraucher. Kann der optimale Fließdruck am Verbraucher aufgrund eines zu hohen Druckabfalls nicht erreicht werden führt das zu einem Produktivitätsabfall am Verbraucher (zu niedriger Fließdruck). Häufig ist der Kompressor allerdings vorsorglich überdimensioniert, um genau diese Druckabfälle kompensieren zu können (zu hoher Fließdruck). Eine solche Erhöhung der Kompressorleistung oder sogar der Einsatz eines weiteren Kompressors ist aufgrund des niedrigen Erzeugungs-Wirkungsgrades, über die Zeit betrachtet, die mit Abstand kostenintensivste Variante (Vgl. Abb. 2).

Abb. 2: Druckabfall im Verteilnetz

 

Abb. 3: Fließdruck am Werkzeug

Neben dem Druckverlust durch ein falsch dimensioniertes Verteilsystem sind Leckagen für einen beachtlichen Druckabfall sowie für eine erhebliche Druckluftverschwendung verantwortlich. Dazu zählen Löcher im Rohrsystem aber auch Leckagen am Anschlusszubehör zwischen Netz und Verbraucher. Leckagen in einem Leitungsnetz wirken wie Düsen, aus denen die Druckluft mit hoher Strömungsgeschwindigkeit austritt. Diese Leckstellen sind Dauerverbraucher. 24 Stunden pro Tag strömt die Druckluft aus. Der Energieaufwand zum Ausgleich der dadurch entstehenden Druckluftverluste ist beträchtlich. Zwar kommt niemand zu Schaden, aber die entstehenden Folgekosten beeinträchtigen die Wirtschaftlichkeit des Druckluftsystems erheblich.

Ein Beispiel verdeutlicht die Größenordnung der Zusatzkosten:

Bei einem Netzdruck von 8barü entweichen ca. 75 l/min = 4,5 m³/h aus einem Leck von 1 mm Durchmesser. Für diesen Volumenstrom muss eine Motorleistung von 0,6 kW aufgebracht werden. Bei einem Arbeitspreis von 0,10 €/kWh ergeben sich je nach Wirkungsgrades Motors bei 8000 Betriebsstunden Mehrkosten von ca. € 480,- pro Jahr.

Durch eine Leckagendetection mittels Ultraschalltechnologie, kann das Leckagenpotential während laufendem Betrieb grob abgeschätzt werden. Zudem können die Leckagen über ein mathematisches Auswerteverfahren aus den Druckkurven während Betrieb berechnet werden. Eine einfachere Methode stellt die Erfassung der Nachspeisung während Betriebsstillstad dar, sofern ein Betriebsstillstand möglich ist. Sind die Leckagen identifiziert können anschließend Optimierungsmaßnahmen ergriffen werden. Neben Austausch der entsprechenden Komponente gibt es hier z.B. auch die Möglichkeit, die betroffenen Netzabschnitte in bestimmten Zeiten mithilfe von Ventilen vom restlichen Netz abzutrennen.

 

Energieeffizienzmaßnahmen in der Erzeugung

Druckluftspeicherung

Ein zum Teil großes Problem ist eine hohe Schalthäufigkeit sowie Leerlaufzeiten von Kompressoren. Um das geforderte durchschnittliche Druckniveau im Netz zu gewährleisten, verdichtet ein Kompressor immer auf einen Druck, der höher liegt als der benötigte Druck. Bei vielen Startvorgängen resultiert dies in häufige Überverdichtungen. Im Falle eines Leerlauf-geregelten Kompressors kommen zusätzlich die zwischen den Startvorgängen liegenden Leerlaufzeiten hinzu.Um eine gute Auslastung der Kompressoren zu gewährleisten, ist ein ausreichendes Speichervolumen von großer Wichtigkeit. Ein richtig dimensionierter Druckluftspeicher sorgt hierbei für eine lange Betriebszeit der Kompressoren und verringert gleichzeitig die Schalthäufigkeit. Zudem wird im Hinblick auf den Verbrauch eine erhöhte Flexibilität erreicht und kurzfristige Verbrauchsspitzen können besser ausgeglichen werden.

 

Druckabsenkung

In Druckluftsystemen ist eine hohe Überverdichtung ein häufiges Problem. Die Verdichtung auf einen Maximaldruck, welcher deutlich über dem benötigten Druck liegt, wird hierbei vor allem durch ein schlecht dimensioniertes Leitungsnetz und den dadurch entstehenden hohen Druckabfall auf dem Weg zum Verbraucher hervorgerufen. Allerdings können auch große Sicherheitsreserven, um den benötigten Druck am Verbraucher sicherzustellen, zu einer unnötigen Überverdichtung führen. Da eine Überverdichtung gleichzeitig eine Erhöhung des Energieverbrauchs zur Folge hat, kann es sich lohnen, den Maximaldruck zu überprüfen und – wenn möglich – anzupassen. Bei einer Reduzierung des Drucks kann hierbei pro bar eine Energieeinsparung von 6-10 % erzielt werden. 

 

Spezifische Leistung

Zur Bewertung der Effizienz einer Druckluftanlage wird häufig die spezifische Leistung der Kompressoren betrachtet. Die spezifische Leistung stellt hierbei die elektrische Leistung dar, die ein Kompressor benötigt, um bei Maximaldruck eine Liefermenge von 1 m³/min zu erzeugen. Für verschiedene Druckverhältnisse ergeben sich unterschiedliche Richtwerte. Für einen Überdruck von 7 bar stellt zum Beispiel eine spezifische Leistung von 5-6 kW/(m³/min) eine gute spezifische Leistung dar (vgl. Abb. 4).

Abb. 3: spezifische Leistung für verschiedene Druckverhältnisse

Liegt die spezifische Leistung deutlich über dem empfohlenen Wert, kann es sich lohnen die Ursache hierfür zu überprüfen. Neben einer mangelnden Wartung können auch schlechte Betriebsbedingungen, wie eine hohe Umgebungstemperatur zu einer deutlichen Erhöhung führen. Ist ein Kompressor älter als 10 Jahre, kann sich aufgrund von Bauartverbesserungen auch eine Neuanschaffung sehr schnell amortisieren.

 

Das „Allheilmittel“ Drehzahlregelung

Der Einsatz von drehzahlgeregelten Kompressoren ist längst Stand der Technik. Doch obwohl drehzahlgeregelte Kompressoren eine deutlich bessere Effizienz bei Teillast aufweisen als andere Kompressoren, sollte bei der Dimensionierung ebenfalls große Vorsicht gewaltet werden lassen. Ist ein Kompressor mit Drehzahlregelung falsch dimensioniert, arbeitet er einen Großteil der Zeit außerhalb des optimalen Betriebsbereichs, welcher bei 40-80% Auslastung liegt. Bei Volllast arbeitet ein drehzahlgeregelter Kompressor aufgrund der Verluste des Frequenzumrichters stets ineffizienter als ein nicht-drehzahlgeregelter Kompressor. Diese Ineffizienz bei hohen sowie niedrigen Auslastungen ist auch sehr gut in Abbildung 4 zu erkennen. Wie effizient ein drehzahlgeregelter Kompressor im Teillastbereich arbeitet hängt letztendlich von der Kennlinie des Motors, des Reglers und des Verdichterblocks ab.Abbildung 4 spezifische Leistung eines drehzahlgeregelten KompressorsDennoch kann ein drehzahlgeregelter Kompressor gerade als Spitzenlastkompressor bei einem sehr fluktuierenden Druckluftverbrauch durch Gewährleistung eines konstanten Drucks von +/- 0,1 bar zu erheblichen Einsparungen führen.

 

Zusammenfassung

Zusammenfassend kann somit gesagt werden, dass die Effizienz des Gesamtsystems von allen an der Erzeugung, Speicherung und Verteilung beteiligten Komponenten abhängig ist. Wie auch in anderen Bereichen gilt hier ebenfalls „das schwächste Glied bestimmt die Effizienz des Gesamtsystems“ und dementsprechend sollte darauf geachtet werden nicht ausschließlich eine Komponente zu optimieren. Die im Artikel beschriebenen Maßnahmen sind im Folgenden in Kürze zusammengefasst.

  • Wärmerückgewinnung zur Nutzung der Abwärme in anderen Prozessen (vor allem lohnenswert bei Grundlastkompressoren)
  • Identifizierung und Verminderung von Leckagen (vor allem bei höheren Betriebsdrücken, da der Verlust durch eine Leckage von ihrer Größe und dem Druck abhängt)
  • Richtige Dimensionierung des Leitungsnetzes (Vermeidung von Druckabfall durch Bauteile und Leitungskurven bzw. -länge)
  • Ausreichende Wartung und Gewährleistung einer hohen Druckluftqualität zur Reduzierung von Verschleiß an den Komponenten.
  • Installation eines (größeren) Druckluftspeichers zur Reduzierung der Schalthäufigkeit der Kompressoren
  • Überprüfung und bei Möglichkeit Absenkung des Netzdrucks
  • Bestimmung der spezifischen Kompressorleistung im Betrieb und Abgleich mit empfohlenen Werten.
  • Richtige Kompressordimensionierung und Überprüfung, ob ein drehzahlgeregelter Kompressor zur Abdeckung des Spitzenbedarfs lohnenswert ist (sofern kein entsprechender Kompressor installiert ist).
  • Austausch von älteren Kompressoren

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