Energieeffiziente Drucklufttechnik

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1 Grundlagen, Tipps und Tricks Energieeffiziente Drucklufttechnik Anwender von Druckluft haben viele Möglichkeiten, Energiekosten zu sparen. Das vorliegende Whitepaper zeigt die einzelnen Maßnahmen über die gesamte Prozesskette auf von der Erzeugung über die Aufbereitung bis zum Leitungsnetz. Am Anfang der Optimierungsmaßnahmen sollten eine exakte Ist-Analyse und eine abteilungs- oder verbraucherbezogene Erfassung des Druckluftverbrauchs stehen. Die Fakten sind bekannt: Rund 10% des industriellen Stromverbrauchs entfallen auf die Drucklufterzeugung. Druckluft ist vielseitig nutzbar als Energieträger und auch als Prozessmedium. Fakt ist aber auch, dass Druckluft ein vergleichsweise teurer Energieträger sein kann, wenn die Möglichkeiten der Energieeinsparung nicht konsequent genutzt werden. Verschiedene Untersuchungen in der Vergangenheit kamen zu dem Schluss, dass die wirtschaftlich und technisch umsetz baren Potenziale der Energieeinsparung mehr als 30% des Energiebedarfs ausmachen. Selbst wenn man davon ausgeht, dass inzwischen einige dieser Potenziale um gesetzt wurden, dürfte es in jedem Unternehmen, das Druckluft einsetzt, noch genügend Möglichkeiten zur Verbesserung geben.

2 Mehr als zwei Drittel der Gesamtkosten entfallen auf die Energie Die Ausschöpfung dieser Verbesserungspotenziale ist umso wichtiger, als die Energiekosten den weitaus größten Anteil an den Gesamtlebenskosten einer Druckluftstation ausmachen. Die unterschiedlichen Studien zu diesem Thema kommen alle zu dem Schluss, dass rund 80% der Lebenszykluskosten auf die Energiekosten entfallen. Umso erstaunlicher ist, dass in vielen Unternehmen (in einer Umfrage waren es 70%) der Druckluftverbrauch gar nicht bekannt ist und nur in 20% der befragten Unternehmen bereits Einsparungen umgesetzt wurden. Anteil an den Gesamtkosten 100% Nebenkosten 90% Kapitaldienst 80% 70% 60% 50% 40% Energiekosten 30% 10% 10% 0% jährliche Laststunden Die Energiekosten machten den weitaus größten Anteil der Gesamtkosten einer Druckluftstation aus Am Anfang: Transparenz der Zahlen Die erste Maßnahme zur Einsparung sollte somit darin bestehen, die Verbrauchsdaten zu erfassen und transparent zu machen. Dazu gehört es auch, die druckluftbezogenen Energiekosten verbrauchsabhängig auf die einzelnen Abtei lungen bzw. Bereiche der Produktion umzulegen. Allein diese organisatorische Maßnahme hat in einzelnen Unternehmen schon zu Einsparungen in der Größenordnung von 30 bis 40% bei Druckluft verbrauch und -kosten geführt.

3 Größtes Potenzial: Beseitigung von Leckagen Bei den technischen Maßnahmen zur Einsparung von druckluftbezogener Energie und um diese geht es im vorliegenden Whitepaper steht die Beseitigung von Leckagen im Druckluftnetz an erster Stelle. Selbst in Betrieben mit einer gut funktionierenden Instandhaltung können bis zu 30 % der erzeugten Druckluft durch Leckagen verloren gehen ( Zahlen der Energieagentur NRW: 10 % bei Industrienetzen, maximal 30 %). Schon ein einziges Leck mit einem Durchmesser von nur 2 mm führt in einem 10 bar-netz zu einem Verlust von 0,4 m 3 /min, der sich aufs Jahr gerechnet zu zusätzlichen Energiekosten im vier stelligen Eurobereich aufaddiert. Dabei erfordert es wenig Aufwand, das Netz mit einem dafür geeigneten Ultraschall-Messgerät auf Leckagen zu untersuchen. Die Amortisa tionszeit einer solchen Leckage beseitigung die regelmäßig wiederholt werden sollte beträgt üblicherweise sechs Mo nate bis zwei Jahre. Beispielhafte Berechnung der Kosteneinsparung durch Reduzierung der Leckagen Ist Anteil % Red. Faktor Soll Anteil % Differenz Druckluftverbrauch Druckluftverbrauch mit Leckagen m³/a , Druckluftverbrauch ohne Leckage m³/a , Leckageberechnung für ein Jahr Leckagemenge m³/a Anteil Leckage an Verbrauch 0,16 0,05 Kostenberechnung für ein Jahr Energiekosten Last /a ,65 73,2 0, ,32 66, ,33 Energiekosten Leerlauf /a ,53 5,5 0, , ,63 Lastkostenverhältnis % 0,93 0,97 Kapitalkosten /a ,91 16,4 1, ,30 27, ,39 Wartungskosten (intern) /a 8.356,63 2,7 0, ,98 2, ,65 Wartungskosten (extern) /a 6.488,61 2,1 0, ,17 1, ,44 Summe der Kosten /a ,33 0, , , ,67 Drucklufterzeugungskennzahl /m 3 0,0150 0,75 0,0113 0,0038 Kosten für Leckagen /a ,55 0, , ,97

4 Wirkungsgrad der Drucklufterzeugung Endenergie 100 % Bei der Planung und Optimierung der Drucklufterzeugung muss immer berücksichtigt werden, dass ein Kompressor nur rund 7 % der aufgewendeten elektrischen Energie in mechanische Ex pansionsarbeit umwandelt. Der Großteil der Energie wird als Abwärme freigesetzt, der Wirkungsgrad ist somit im Vergleich zum elektrischen Antrieb gering. Umso wichtiger ist es somit, die zur Verfügung stehende Energie bestmöglich zu nutzen und möglichst alle Potenziale auszuschöpfen. Kältetrockner 1,4 % Kompressoren 98,6 % Motorverluste 9,9 % Kompressions - und Leerlaufverluste 76,8 % Abwärme am Kompressor Aufwand Trocknung 1,4 % Druckverluste in Filter, Kältetrockner und Netz 0,6 % Leckageverluste 3,5 % Expansionsverluste 0,9 % mechanische Expansionsarbeit 6,9 % Ein Kompressor wandelt nur rund 7% der aufgewendeten elektrischen Energie in mechanische Expansionsarbeit um

5 Viele Bewegründe, aber wenig gute Gründe Dass es in der Praxis zahlreiche Gründe gibt, diese Aufgabe nicht für vordringlich zu halten, ist unbestritten. Das sollte die Verant wort lichen jedoch nicht davon abhalten, sie anzugehen. Es gibt viele Beweggründe, die energetische Optimierung des Druckluftnetzes zu vernachlässigen fehlende Motivation der Mitarbeiter verfügbare Mittel müssen in wichtigere Investitionen fließen 11,5 12,4 30,8 51,8 Zu lange Amortisationszeiten bei investiven Maßnahmen fehlendes Kapital für investive Maßnahmen Informationssuchkosten für geeignete Einspartechnologie sind im Verhältnis zu den Einsparungen zu hoch Stellenwert der Energiekosten ist nachrangig Bedenken bezüglich des Betriebsablauf und der Produktionssicherheit Zeitmangel, hohe Arbeitsbelastung personelle Zuständigkeit der Energiefragen nicht eindeutig geregelt fehlende Kenntnis über Hersteller energiepsarender Technologie mangelndes Wissen über Einsparmöglichkeiten 19,2 47,6 19,2 47,6 17,3 21,4 17,3 27,2 15,4 8,9 38,5 38,6 11,8 14,8 28,9 29,1 23,1 25, in % über 25 Mio. Euro bis 2,5 Mio. Euro

6 Grundlagen der Planung einer Druckluftstation Bei der Planung (oder Erweiterung oder Modernisierung) einer Druckluftstation hat der Anwender die Wahl zwischen unterschiedlichen Kompressorbauarten. Anhand der Zielparameter (v.a. Liefermenge und Druck niveau) ergibt sich bereits eine Vorauswahl. Bei der häufig diskutierten Frage Ölgeschmiert oder ölfrei sollte zusätzlich die angestrebte Druckluftqualität berücksichtigt werden auch aus energetischer Sicht. Denn jede Aufbereitungskomponente benötigt direkt oder indirekt (über die Druckdifferenz, die sie verursacht) ebenfalls Energie. Bei der Planung einer Druckluftstation hat der Anwender die Wahl zwischen unterschiedlichen Kompressorenbauarten Kompressoren Verdrängerkompressoren Turbokompressoren Oszilierend Rotierend Radial Axial einwellig zweiwellig Hubkolben Membran Vielzellen Spiralkompressor Drehzahlkompressor Schrauben Drehkolben

7 Ölfrei oder ölgeschmiert? Aus energetischer Sicht bietet ein einstufiger öleingespritzter Schraubenkompressor Vorteile, weil er bei geringerem Tem peraturniveau und somit hohem Wirkungsgrad arbeitet. Diese Verdichterart ist für viele Unternehmen, die einen Kompressor bis 100 kw benötigen, sicherlich die beste Wahl. Wenn Druckluft von hoher Qualität benötigt wird, steht u. a. ein zwei stufiger Schraubenverdichter zur Wahl insbesondere wenn er energetisch und thermisch mit einem Adsorptionstrockner gekoppelt wird, der die Verdichterwärme zur Rege neration des Trockenmittels benutzt. Allerdings kann der Anwender hier auch zweistufige ölfreie Kolbenkompressoren einsetzen, die im Vergleich zu Schraubenkompressoren einen um 5 bis 10% höheren Wirkungsgrad aufweisen und zudem mit geringeren Leerlaufverlusten arbeiten. Neue Technologien erschließen Effizienzpotenziale Bei der Auswahl sollte man nicht außer Acht lassen, dass es neue Verdichtungstechnologien gibt, die gerade im Hinblick auf die Energieeffizienz deutliche Vorteile bieten. Dazu zählen unter anderem die Kompressoren der PureAir-Baureihen, welche Gardner Denver zur Serienreife entwickelt hat: die wassereingespritzten, ölfreien Schraubenkompressoren der DH-Serie die drehzahlgeregelten, ölfrei arbeitenden, zweistufigen Quantima Turbokompressoren die Ultima -Baureihe mit 2 ölfreien Verdichterstufen jeweils von einem individuell drehzahlgeregelten synchronen Permanent Magnet-Hochgeschwindigkeitsmotoren angetrieben Innovative Verdichtungsprinzipien wie der PureAir-Serie schaffen die Voraussetzung für eine effizientere Drucklufterzeugung

8 Wohin mit der Abwärme? Eingangs wurde es schon erwähnt: Der größte Anteil der Energie, die für die Drucklufterzeugung aufgewendet wird, steckt letztlich in (Ab-)Wärme und nicht in der Druckluft. Positiv ausgedrückt heißt das: Wenn man diese Abwärme nutzen kann, steigert sich die Effizienz der Drucklufterzeugung ganz erheblich. Möglichkeiten dazu bieten temperaturgeführte Prozesse im Unternehmen (Wärmebad, thermische Trocknung etc.) sowie die Hallenbeheizung und die Bereitstellung von (warmem) Brauch- oder Prozesswasser. Optimal ist es, wenn die Ab wärme ganzjährig genutzt werden kann und nicht nur in Heiz perioden. Solche Wärmerückgewinnungssysteme sind vergleichsweise einfach zu installieren und bieten hohe Energieeinsparpotenziale. Auslastung und 20 Prozent Leerlaufbetrieb läuft, muss man pro Jahr mit Energiekosten von , Euro rechnen. Diese Summe basiert auf einem Strompreis von 8 ct/kwh. Wärmetauscher von CompAir als Werkseinbau oder montage fertiger Nach rüstsatz nutzen diese überschüssige Energie 0% Rückgewinnung Kühler Heißes Öl Heißes Öl Wärmerückgewinnungseinheit Warmwasser Industrieprozess Heizen Heißluftgebläse Ca. 80% Rückgewinnung

9 Wieviel Netzdruck wird benötigt? Eine weiterer Parameter, der mit Blick auf die Energieeffizienz sehr sorgfältig geprüft werden sollte, ist der Netzdruck. Dazu ein Beispiel: Wenn ein Betrieb, der traditionell sein Netz mit 8,5 bar betreibt, diesen Wert auf 7 bar senken kann, spart er rund 11% Energie ein. Im Bestfall gelingt dies ohne große technische Maßnahmen, denn häufig wurde der Druck mit entsprechenden Sicherheiten festgelegt ohne zu prüfen, ob dieses Niveau tatsächlich benötigt wird. Es gibt aber auch technische Mittel, den Druck abzusenken, z. B. ein ausreichend dimensionierter Rohrquerschnitt und Speicherbehälter und eine moderne, bedarfsgerechte Steuerung. Durch eine Absenkung des Netzdrucks kann der Anwender Energie sparen 20 % 10 % 5 % Einsparung Leistungsaufwand 0 % 10 % 20 % 30 % 0 % 5 % 10 % 14 % 19 % 23 % 26 % 30 % 34 % 37 % 40 % 50 % 9,5 9 8,5 8 7,5 7 6,5 6 5,5 5 4,5 Überdruck P (ü) [bar]

10 Aufbereitung: Soviel wie nötig Eng mit der Auswahl des Kompressors verbunden ist die Wahl der Aufbereitung. Wer sich für einen (effizienteren) ölgeschmierten Verdichter entscheidet, wenn er Qualitätsdruckluft benötigt, gibt die bei der Erzeugung eingesparten Energie kosten unter Umständen bei der Aufbereitung wieder aus. Denn unabhängig davon, ob eine Aufbereitungskomponente elektrischen Strom benötigt oder nicht: Über den Differenzdruck erhöht sie den Energieaufwand, der zur Bereitstellung der Druckluft erforderlich ist. Bei den (Adsorptions-) Trocknern ist zudem zu beachten, dass sie teilweise Druckluft als Spül-/Regenerationsluft entnehmen und somit den Druckluftverbrauch erhöhen. Auch das verschlechtert die Energiebilanz. Bei den Filtern ist die Druckdifferenz ein entscheidender Parameter für die Auswahl. Der Anwender sollte darauf achten, dass die Leistungswerte nach genormten Methoden ermittelt wurden und dass der Differenzdruck im Betrieb möglichst lange konstant niedrig bleibt. In Summe führen so ein Praxiswert mehrere Komponenten (z. B. Vorfilter, Trockner und Mikrofilter) schnell zu einem Druckabfall von 1 bar und mehr und zu einem um 8 bis 11 höheren Energieverbrauch führt. Aus dieser Tatsache ergibt sich auch, dass der Anwender diese Differenz überwacht und bei einer Steigerung das Filterelement wechselt oder nach der Ursache forscht. Jede Aufbereitungskomponente erhöht über die Druckdifferenz den Energieverbrauch einer Druckluftstation dp [bar] dp [bar] Rohrleitungsnetz 0,1 Anschlusszubehör 0,5 Nachfilter 1 µm dp = 0,9 bar Je Trockner (ohne Filter) 0,1 0,3 warmgenerierter Adsorptionstrockner ohne Fremdenergie % Mehrverbrauch Vorfilter 0,1 Mikrofilter 0,01 µm Hochleistungsfilter 0,1 0,3 (0,7) Zyklonabscheider Aktivkohlefilter 0,1 0,3

11 Leitungsnetz: Bottlenecks vermeiden Für das Leitungsnetz gilt das Prinzip der Perlenkette, die nur so stark ist wie ihr schwächstes Glied. Das heißt: Jede Engstelle führt zu Leitungsverlust und somit zu erhöhtem Energieverbrauch. Daraus ergibt sich die Notwendigkeit, Rohrquerschnitte und Verbindungselemente entsprechend zu überprüfen und ggfs. auszutauschen eine Aufgabe, die z. B. im Rahmen einer turnusmäßigen Leckagesuche erfolgen kann. Zudem empfiehlt es sich, nicht benötigte Druckluftwerkzeuge (noch vor den Wartungseinheiten) durch Kugelhähne abzusperren, denn innerhalb der Werkzeuge können ohne Wartung Leckagen entstehen. Auf die Steuerung kommt es an Ein zentrales Element zur Steuerung des Druckluftverbrauchs wurde noch nicht erwähnt: Die Steuerung hat großen Einfluss auf den Energieverbrauch und bietet deshalb großes Optimierungspotenzial. Am besten beginnt die Optimierung mit einer Analyse des Ist-Zustandes, aus der das ideale Regelkonzept abgeleitet werden kann. Pauschale Aussagen zu treffen, ist hier kaum möglich. Der Einzelfall entscheidet, ob drehzahlgeregelte Kompressoren sinnvoll, d. h. energiesparend, einzusetzen sind und Regelkonzept (Grundlastwechselschaltung, Kaskadenschaltung, bedarfsabhängige Steuerung etc.) das günstigste ist. Ziel muss es sein, Leerlauf(kosten) zu vermeiden und die einzelnen Kompressoren im optimalen Lastbereich zu betreiben. Hier ist u. U. auch die Größe des Druckluftspeichers zu berücksichtigen p[bar] 7 Druckverlust 6 2D-Bogen 3D-Bogen T-Stück Reduzierung Erweiterung Abzweigung Ventil Flansch Kosten ( /a) Ist Soll I Soll II Energiekosten Last Energiekosten Leerlauf Kapitalkosten Wartungskosten Einsparung (Soll Ist) (ohne Wärmerückgewinnung) Jede Engstelle im Leitungsnetz führt zu Leitungsverlust und somit zu erhöhtem Energieverbrauch Das Regelungskonzept hat großen Einfluss auf den Energieverbrauch einer Druckluftstation

12 Jedes Detail zählt und Transparenz ist wichtig Abschließend lässt sich sagen: Es gibt viele Stellschrauben, um die druckluftbezogenen Energiekosten zu senken. Viele wie z. B. eine Leckagesuche und beseitigung erfordern nur geringen investiven Aufwand und ermöglichen damit quick wins. Andere wie die Auswahl des Steuerungskonzeptes setzen intensivere Beschäftigung mit der Thematik und in der Regel auch die Unterstützung durch Experten voraus. Sinnvoll ist auf jeden Fall die möglichst exakte Erfassung der Druckluftkosten bezogen auf Verbraucher oder Abteilung so entsteht oft überhaupt erst der Anreiz, die Kosten sys tematisch zu senken. Am Anfang der Effizienzsteigerung steht die Erfassung des Druckluftverbrauchs Weitere Informationen: CompAir Drucklufttechnik Zweigniederlassung der Gardner Denver Deutschland GmbH Argenthaler Straße 11 D Simmern Telefon +49 (0) Telefax +49 (0) CompAir GmbH Im Südpark 207 A-4030 Linz Telefon +43 (732) Telefax +43 (732) Gardner Denver Schweiz AG Zürcherstrasse 254 CH-8406 Winterthur Telefon +41 (052) Telefax +41 (052) CompAir ist Partner der Kampagne effi ziente Druckluft von EnergieSchweiz und von der GOP. Quellen: [1] Compressed Air Systems in the European Union, Energy, Emissions, Savings Potential and Policy Actions, Peter Radgen, Edgar Blaustein, 2001 LOG_X Verlag GmbH, Stuttgart [2] Verein Deutscher Ingenieure: VDI Bericht1681, Tagung Veitshöchheim, 2002 [3] EnergieAgentur.NRW, Seminarunterlagen, Druckluft Störungsfreie, kostengünstige und energieeffiziente Bereitstellung, Wuppertal, [4] Deutsche Energie-Agentur GmbH, Informationsblätter Druckluftsysteme: Druckluft verteilung, Berlin, [5] KfW Bankengruppe: KfW-Befragung zu den Hemmnissen und Erfolgsfaktoren von Energieeffizienz in Unternehmen, Frankfurt, 2005