Druckluft EKG

Druckluft ist ein wichtiger Energieträger für die Automatisierung von betrieblichen Prozessen, der fast in jedem Produktionsbetrieb eingesetzt wird. Etwa 7 % des industriellen Strombedarfs wird in Deutschland zur Bereitstellung von Druckluft aufgewendet.

Der Wirkungsgrad bei der Umwandlung von Strom in die Nutzenergie "Druckluft" ist sehr schlecht. Fast 95 % der Primärenergie wird bei der Drucklufterzeugung in Wärme umgesetzt - teils bereits bei der Stromerzeugung im Kraftwerk, teils bei der Umwandlung von Strom in Druckluft im produzierenden Unternehmen.

Energieverluste entstehen bei der Erzeugung von Druckluft durch Nichtnutzung der bei der Drucklufterzeugung entstehenden Abwärme, durch Leckagen, durch eine fehlende Kompressor Steuerung und/oder durch Druckverluste im Netz.

Nutzung der Abwärme

Bei der Verdichtung in Kolben-, Schrauben- oder Turbokompressoren entsteht Wärme die zurückgewonnen werden kann. Die zurückgewonnene Wärme kann zur Erwärmung der Raumluft, zur Erwärmung des Heizungswassers oder zur Erwärmung von Brauchwasser genutzt werden.

Voraussetzung für die Abwärmenutzung zur Erwärmung von Raumluft ist ein luftgekühlter Kompressor, von dem die verwendete Kühlluft gezielt weggeführt wird. Die erwärmte Kühlluft muss über ein Kanalsystem in die entsprechenden Räume die beheizt werden sollen geleitet werden. Dabei ist zu beachten, dass möglichst kurze Wege eingehalten werden. Große Distanzen erzeugen Druckverluste im Kanal, die durch einen Zusatzventilator zu kompensieren sind, was wiederum einen zusätzlichen Energieaufwand erzeugt. Lange Kanalsysteme erzeugen lange Verweilzeiten der Luft im Kanal was zu ungewollten Wärmeverlusten führt. 

Bei Schraubenkompressoren mit Öleinspritzung führt das Öl circa 70 % der zugeführten elektrischen Energie als Wärme ab. Diese Energie kann zurückgewonnen werden, indem das Öl über einen an das Heizungssystem angeschlossenen Wärmetauscher geführt wird. Auf diese Weise lässt sich Heizungswasser auf bis zu 70 °C erwärmen. Dabei ist es unerheblich, ob der Kompressor luft- oder wassergekühlt wird. Das Heizungswasser kann nur erwärmt werden, wenn der Kompressor im Lastbetrieb arbeitet. Da nicht immer Lastbetrieb ansteht und somit auch nicht immer warmes Wasser abgegeben wird, kann die Wärmerückgewinnung nur zur Unterstützung des Heizungskreislaufs dienen. 

Die Abwärme der Drucklufterzeugung kann auch zur Brauchwassererwärmung genutzt werden. Dazu ist ein zusätzlicher Wärmetauscher erforderlich. Mit diesem System kann Brauchwasser um circa 35 K auf etwa 55 °C erwärmt werden. Im Gegensatz zur direkten Raumbeheizung und der Erwärmung von Heizungswasser ist eine dauerhafte Abwärmenutzung über das ganze Jahr hinweg möglich da i.d.R. ein ganzjähriger Warmwasserbedarf vorhanden ist. 

Steuerung der Kompressoren 

Auch bei den Steuerungen von Kompressor Stationen bestehen Energiesparpotenziale. Zu unterscheiden sind interne und übergeordnete Regelungen der Kompressoren. Interne Regelungen dienen dazu, die jeweilige Kompressor Einheit zu- oder abzuschalten beziehungsweise nach dem Lastbetrieb vorübergehend in den Leerlauf zu schalten. Beim Leerlaufbetrieb benötigt der Kompressor nur 25 bis 30 % seiner Volllastleistung. Allerdings liefert er dabei keine Luft. 

Laufzeitoptimierende Steuerungen können den Leerlaufbetrieb deutlich reduzieren. Aufgabe der übergeordneten Regelung ist, die Einzelanlagen optimal auszulasten und ihren Einsatz gemäß dem tatsächlichen Luftverbrauch zu koordinieren und zu überwachen. Optimierte interne Steuerungen können durch Reduzierung der internen Steuerungsverluste Einsparungen von durchschnittlich 15 % erreichen. Mit übergeordneten Steuerungen lässt sich zusätzlich durch Druckabsenkung und bessere Koordination ein energetisches Einsparpotenzial von bis zu 12 % ausschöpfen. Mit der Kombination einer übergeordneten Steuerung und zusätzlichen Messaufnehmern lässt sich auch eine verbrauchsorientierte Druckluftabrechnung vornehmen.

Schaltspielreduzierende Auslegung der Druckluftspeicher (Kessel)

Druckluftverbraucher im Netz arbeiten oft diskontinuierlich. Die Förderung von Druckluft mittels Kompressoren muss mit dem diskontinuierlichen Luftverbrauch in Einklang gebracht werden. Vor diesem Hintergrund sind die Luft-Speicherbehälter (Kessel) von großer Bedeutung für die Wirtschaftlichkeit einer Druckluftstation. Um Schaltspiele zu begrenzen und Nachlaufzeiten optimal einstellen zu können sind die Größe des Kompressors, die Größe des Druckluftbehälters und die Schaltdifferenz (Einschaltdruck-Ausschaltdruck) aufeinander abzustimmen. 

Je größer der Behälter umso größer kann die Schaltdifferenz gewählt werden und umso länger arbeitet der Kompressor am Stück. Lange Laufzeiten am Stück wirken sich positiv auf die Energieeffizienz des Kompressors aus. Als Größenempfehlung [m³] sollt der Behälter auf mindestens 1/3 der Kompressorförderleistung [m³/min] ausgelegt sein.

Anpassung der Druckluftlieferung an den tatsächlichen Bedarf 

Die Druckluftaufbereitung soll die für die jeweilige Anwendung optimale Luft-Qualität in der erforderlichen Druckstufe sicherstellen. Grundanforderung ist, Verunreinigungen und Feuchtigkeit aus der Druckluft zu beseitigen. Verunreinigungen führen zu Qualitätsminderungen und Störungen bis hin zum Produktionsausfall. Energie- und damit auch Betriebskostenoptimal ist es, die jeweilige Qualitätsanforderung der Anwendung möglichst genau zu erfüllen. Denn Über- und Unterschreitungen der durch den Betrieb festgelegten Anforderung verursachen erhöhte Betriebs- oder Energiekosten. 

Im Einzelnen ist die Auswahl des Druckluftniveaus, die Auswahl des Drucktaupunktes (eventuell Sommer/ Winter-Umstellung), die Nutzung der energieeffizientesten Trocknung beziehungsweise Kombination (Kältetrockner, Ad-/Absorptionstrockner, Hybridtrockner), der Ölgehalt, die Partikelgröße, die Wahl der Regeneration des Trocknungsmittels (kalt oder warm regenerierend), der Einsatz elektronischer, niveaugesteuerter Kondensat-Ableiter (Filter, Kessel, Trockner) und die Abstellung von Teilnetzen nach Betriebsschluss zu prüfen.

Optimierung des Druckluft Netzes

Druckluftenergie sollte möglichst verlustfrei, d.h. mit geringster Reduzierung der Luftmenge, des Fließdrucks und der Luftqualität transportiert werden. Durch Beeinträchtigungen im Druckluftsystem kommt es zur Reduzierung der Luftmenge (Leckagen), des Fließdrucks (Druckabfall aufgrund von Leitungsengpunkten) und der Luftqualität (Ansammlung von Rost, Schweißzunder, Wasser). 

Der Durchmesser der Druckluftleitungen sollte unter Berücksichtigung des gewünschten Volumenstroms und des zulässigen Druckabfalls ausgelegt sein. Der Druckabfall vom Druckluftbehälter zur Kupplung an der Wandscheibe sollte 0,1 bar nicht übersteigen. Bei optimal ausgelegten Druckluftnetzen ist der Druckabfall in Hauptleitung und der Verteilleitung kleiner 0,03 bar, in der Anschlussleitung kleiner 0,04 bar und beim Anschlusszubehör kleiner 0,3 bar. 

In der Praxis sind Druckluftverteilungssysteme oft über Jahre aus verschiedenen Werkstoffen mit oft nicht optimalen Durchmessern und mehr oder weniger korrosionsfesten Materialien und unterschiedlichsten Verbindungsarten entstanden. Zum Teil liegen die Leckraten zwischen 25 und 35 %. Leckraten in dieser Größenordnung, verbunden mit Druckabfällen von ca. 2 bar können zu Energieverlusten von bis zu 50 % führen. 

Messwertbasierte Analyse und Optimierung durch das Druckluft-EKG

Bei der Druckluftmessung (Druckluft-EKG) wird mit Hilfe einer mobilen Messtechnik die Leistungsaufnahme der Kompressoren und die Luft-Liefermenge über einen bestimmten Zeitraum erfasst. Dabei wird auch die Leckagemenge und die optimale Leistung eines bzw. mehrerer Kompressoren bestimmt. Als Leckagen werden dabei auch Überverdichtungen an den Werkzeugen betrachtet. Denn wenn ein Druckluftverbraucher mit einem höheren als dem für die Funktion benötigten Druck beaufschlagt wird führt das zu einem erhöhten Energieverbrauch. 

Um das Last-/Bedarfsprofil einer Druckluftversorgung analysieren zu können, messen wir beim Druckluft-EKG den Druckluftbedarf der Produktion und den Energiebedarf der Kompressoren über einen Zeitraum zwischen 24 Stunden und 14 Tage und zeichnen die Messwerte mit Datenloggern auf. Im einzelnen erfassen wir:

  • Wirkleistung der Kompressoren und Trockner,
  • Druckluftverbrauch der Produktion,
  • Druckniveau nach den Kompressoren,
  • Druckniveau vor den Trocknern,
  • Druckniveau nach den Filtern,
  • Differenzdrücke über die Aufbereitungskomponenten,
  • Druckverteilung im Rohrnetz,
  • Temperaturniveau der Druckluft nach dem Kompressor,
  • Temperaturniveau der Druckluft nach dem Trockner,
  • Temperaturniveau der Kompressor-Kühlluft,
  • Wärmemengen aus einer vorhandenen Wärmerückgewinnung,

Bei der Datenanalyse mit Hilfe unseres Analysesystems erstellen wir anlagentypische Kennwerte mit deren Hilfe wir den realen Betrieb des Druckluftsystems mit einem idealen Betrieb vergleichen können. Dabei ist auch ein Benchmark mit vergleichbaren Anlagetypen möglich. 

Unsere Mess- und Analyseergebnisse dokumentieren wir in einer Druckluft-Expertenanalyse. Diese ist Grundlage einer späteren Mängelbesteigung und Systemoptimierung. Dabei unterscheiden wir nicht-investive Maßnahmen, gering-investive Maßnahmen und investive Maßnahmen.

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