Fachvortrag Vortragsgruppe: Energieeffizienz bei Kompressoren und Druckluftsystemen I Vortrag: 22-3 Effiziente Druckluftproduktion Verfasser: Jürgen Hütter Leiter Produktmarketing BOGE Kompressoren Otto-Boge-Str. 1-7 33739 Bielefeld Deutschland
Zusammenfassung Druckluft wird häufig als das vierte Versorgungsstandbein bezeichnet. Einerseits ist bekannt, dass die Erzeugung von Druckluft Energie verbraucht, dennoch werden andererseits der Kompressor selbst und nachgeschaltete Komponenten häufig vernachlässigt, was bedeutet, dass noch erhebliche Einsparungen möglich sind. Man geht davon aus, dass Einsparungen von durchschnittlich 33 % bei einer Druckluftanlage möglich sind. Daraus folgt, dass eine kostengünstige Produktion von Druckluft gleichzeitig auch eine energieeffiziente Produktion von Druckluft ist, da Energie bei weitem den größten Kostenfaktor über die gesamte Standzeit einer Druckluftstation darstellt. Viele der unterschiedlichen Ansatzmöglichkeiten für eine Kostenreduktion sind zwar vielleicht sogar bekannt, werden jedoch auf Grund der Unkenntnis über die finanziellen Einsparungsmöglichkeiten nicht angewandt. Dieser Fachvortrag zeigt und erklärt die unterschiedlichen Wege hin zu einer effizienten Produktion von Druckluft (Leckagevermeidung, Auswahl des Kompressors, Druckverluste, ) und gibt einfache Kalkulationsbeispiele, die leicht nachzuvollziehen sind und auf eigene Druckluftstationen angewendet werden können.
Effiziente Druckluftproduktion Druckluft ist weltweit eines der wichtigsten Versorgungsmedien für den industriellen Einsatz, wenn nicht sogar das wichtigste. Es gibt kaum einen Industriezweig, der ohne Druckluft auskommt. Zwei Gründe hierfür sind ihre einzigartige Nutzungsbandbreite und ihre einfache Handhabung. Viele Arbeitsabläufe hängen von Druckluft und ihren positiven Eigenschaften ab, daher wird Druckluft definitiv auch zukünftig eine wichtige Rolle in der Produktion spielen. Druckluft wird bereits seit vielen Jahren eingesetzt. Die erste Anwendung reicht nahezu soweit zurück wie die christliche Zeitrechnung. Im Laufe der Jahre gewöhnte sich die Industrie mehr und mehr an das Vorhandensein der Druckluft. Sie ist einfach da, ein Versorgungsmedium, vergleichbar mit der Elektrizität in einem privaten Haushalt. Aber genau wie Elektrizität hat auch Druckluft ihren Preis. Auf Grund der ständig steigenden Energiepreise sind die Kosten für die Erzeugung von Druckluft immer mehr in den Fokus der Personen gerückt, die für ihre Erzeugung verantwortlich sind. In früheren Jahren stellte sich die Situation anders dar. Druckluftstationen oder die Drucklufterzeugung waren mehr oder weniger ein vernachlässigter Bestandteil eines jeden Betriebes. Die Energieeffizienz stand nicht im Blickpunkt des Interesses und mögliche Einsparpotentiale wurden nicht umgesetzt, teilweise ignoriert. Dies führte zu einem eher schlechten Ansehen der Druckluft heutzutage. Viele Kompressorstationen arbeiten nicht so effizient wie sie eigentlich könnten. Dies ist jedoch nicht ein allgemeines Problem der Druckluft an sich, sondern einzig und allein ein Problem der Nichtbeachtung der hohen Energieeinsparpotentiale, die zweifellos vorhanden sind. Druckluft ist mit Sicherheit ein hocheffizientes und sicheres Versorgungsmedium. Es kommt darauf an, die Methodik zur Reduzierung der Erzeugungs- und Verteilungskosten auf ein Minimum zu kennen und anzuwenden. Druckluftkosten Beim Kauf eines neuen Kompressors, insbesondere mit kleinerer Antriebsleistung, wie z.b. 22 kw oder darunter, stellt sich die normale Situation so dar, dass sich Lieferant und Käufer fast ausschließlich über die Investitions- und Wartungskosten unterhalten. Die Energiekosten werden selten angesprochen. Dadurch wird ein wichtiger Teil der Kostenstruktur einfach ausgelassen. Drei Kostenfaktoren sind wichtig: Energiekosten, Investitionskosten und Wartungskosten. Abhängig von den jährlichen Betriebsstunden des Kompressors unterscheidet sich der Anteil dieser drei Faktoren geringfügig. Gesamtkosten 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% Wartungskosten Energiekosten Investitionskosten 0% 2000 Bh/a 4000 Bh/a 7500 Bh/a Abb. 1: Kostenfaktoren bei der Drucklufterzeugung [1]
Abb. 1 zeigt deutlich, dass Energie der bedeutendste Faktor bei den Druckluftkosten ist, ganz unabhängig davon, wie viele Stunden pro Jahr der Kompressor in Betrieb ist. Die Bedeutung der Energiekosten steigt sogar noch bei steigenden Betriebsstunden. Die Investitionskosten stellen nur einen kleinen Prozentsatz der Gesamtkosten dar und repräsentieren in keiner Form den Zeitaufwand der während der Verhandlungen beim Kaufprozess investiert wurde. Auch die Wartungskosten sind im Vergleich zu den Gesamtkosten von geringer Relevanz. Da die Energiekosten den größten Anteil darstellen, sollte klar sein, dass es genau dieser Bereich ist, der angepackt werden muss, wenn man von Kostenreduzierung spricht. Kosten reduzieren bedeutet grundsätzlich, den Energieverbrauch minimieren. Im Jahr 2001 wurde eine Studie von Peter Radgen und Edgar Blaustein mit dem Titel Druckluftsysteme in der Europäischen Union veröffentlicht. Diese Studie analysierte die Situation von Druckluftstationen in der Europäischen Union und fand heraus, dass zu der Zeit in der EU ungefähr 321.000 industrielle Druckluftanlagen (DLA) im Einsatz waren, die ungefähr 80 Milliarden kwh an Energie pro Jahr verbrauchten. Diese Studie untersuchte ebenfalls das mögliche Energieeinsparpotential für diese Kompressorstationen. (Abb. 2) Fig. 2: Möglicher Anteil an den Energieeinsparmaßnahmen [2]
Die Tabelle geht von einem Energieeinsparpotential von 32,9% aus. Legen wir die insgesamt verbrauchten 80 Milliarden kwh pro Jahr zu Grunde, hätte das zur Folge, dass 26,3 Milliarden kwh pro Jahr an Energie eingespart werden könnten. Bei einem durchschnittlichen Energiepreis von 0,06 /kwh würde dieses Einsparpotential dazu führen, dass 1,58 Milliarden Euro pro Jahr gespart werden könnten. Die Tabelle listet auch die wichtigsten Anteile an diesem Einsparpotential auf. Offensichtlich ist die Reduzierung von Leckagen das wichtigste Mittel, gefolgt von der Auslegung des gesamten Systems, der Nutzung der Abwärme sowie intelligenten Antrieben und Steuerungen. Dies sind nur einige der Maßnahmen, die in diesem Fachvortrag erörtert werden. Die erwähnten 32,9 % sind ein Wert, der im Durchschnitt auf alle Stationen in der Europäischen Union anwendbar ist, unabhängig davon, wie groß die Station ist. Aber warum wird dieses große Einsparpotential nicht genutzt, besonders in Zeiten wie diesen, in denen die Energiekosten schneller als je zuvor ansteigen? Eine mögliche Erklärung dafür ist, dass in vielen Industriebetrieben die Kosten für Druckluft nicht auf eine übersichtliche Art und Weise ausgewertet werden. Es ist oftmals sehr schwierig, die speziell für die Erzeugung von Druckluft anfallenden Kosten aufzuschlüsseln, weil die dazu notwendigen Daten nicht gesammelt werden. Wenn man die Gesamtkosten allerdings nicht kennt, ist es schwierig, das Einsparpotential zu benennen. Weil die Wichtigkeit der Energiekosten nicht allen Benutzern von Druckluft wirklich klar ist, soll diese kleine Kalkulation deren Bedeutung besonders hervorheben. Kalkulation der Kostenfaktoren Die Druckluftstation in diesem Beispiel besteht aus einem einzelnen, ungeregelten 45 kw- Schraubenkompressor mit einer Laufzeit von 6.000 Stunden pro Jahr und einem Leerlaufanteil von 33 %. Also läuft der Kompressor 4.000 Std./Jahr im Lastlauf und 2.000 Std./Jahr im Leerlauf. Dieses Verhältnis ist nicht sehr effizient, ist aber für Einzelinstallationen dieser Art leider nicht unüblich. In diesem Beispiel wollen wir die drei Kostenfaktoren kalkulieren: a) Energie, b) Investition und c) Wartungskosten. a) Kalkulation der Energiekosten Die Motornennleistung dieses Kompressors beträgt 45 kw. Das ist die Leistung, die an der Motorwelle verfügbar ist. Die Leistungsaufnahme des Kompressors, also der für die Energiekosten maßgebliche Wert, beinhaltet auch den Wirkungsgrad des Motors (geschätzt mit 93 %) und die Nennleistung einschließlich Effizienz des Lüftermotors (geschätzt auf 0,7 kw und 70 %), der ebenfalls in einem Kompressor dieser Größe vorhanden ist. Daraus ergibt sich eine Leistungsaufnahme von: 45 kw / 93 % + 0,7 kw / 70 % = 49,4 kw. Dies ist die Leistungsaufnahme während des Lastlaufs des Kompressors. Während des Leerlaufs verbraucht der Kompressor normalerweise ein Drittel dieser Leistung. Das ist die Basis für unsere nachfolgende Energieberechnung. Die Energiekosten werden hierbei auf 0,06 /kwh geschätzt. Kosten für Lastlauf: 4.000 Std./Jahr x 49,4 kw x 0,06 /kwh = 11.856 /Jahr Kosten für Leerlauf: 2.000 Std./Jahr x 49,4 kw / 3 x 0,06 /kwh = 1.976 /Jahr Gesamte Energiekosten: 13.832 /Jahr.
b) Kalkulation der Investitionskosten Der Kaufpreis für den als Beispiel dienenden Kompressors beträgt ungefähr 14.000. Bei einer linearen Abschreibung über 7 Jahre und einer Zinsrate von 8 % können die jährlichen Investitionskosten überschlägig mit ungefähr 14.000 / 7 Jahre x 1,08 = 2.160 /Jahr kalkuliert werden. c) Kalkulation der Wartungskosten Der Kompressor läuft 6.000 Stunden pro Jahr. Die gesamten Wartungskosten für eine Anlage dieser Art werden auf ungefähr 1.200 /Jahr eingeschätzt. Gesamtkosten In der Addition aller drei Kostenfaktoren ergeben sich für diesen Kompressor jährliche Gesamtkosten von 17.192. Die Energiekosten von 13.832 /Jahr machen 80 % des Gesamtbetrages aus, die Investitionskosten nur 13 % und die Wartungskosten nur 7 % der Gesamtsumme. Dies zeigt sehr deutlich die hohe Relevanz der Energiekosten bei den Lebenszykluskosten einer Druckluftstation. Die Kosten pro m³ können jetzt ganz einfach kalkuliert werden. Mit einem Volumenstrom von 7 m³/min bei 8 bar liefert der Kompressor 7 m³/min x 60 min/std. x 4000 Std./Jahr = 1.680.000 m³/jahr. Daraus ergeben sich pro m³ Kosten von 1 Cent/m³. Dies beinhaltet natürlich nur die Kosten für den Kompressor, nicht die Kosten für alle anderen Komponenten der Kompressorstation. Dieses Kalkulationsbeispiel zeigt deutlich, dass das wirkliche finanzielle Einsparpotential nicht darin besteht, einen billigen Kompressor zu kaufen sondern ein energieeffizientes Gerät. Bei diesem Beispiel übersteigt eine um nur 2 % verbesserte Energieeffizienz das Einsparpotential einer 10 % Reduzierung des Kaufpreises. Unglücklicherweise werden die gesamten Lebenszykluskosten nicht immer als relevante Grundlage für Kaufentscheidungen genommen. Die Entscheidung für einen energieeffizienten Kompressor sollte immer dann getroffen werden, wenn eine neue Druckluftstation geplant wird oder wenn ein Kompressor gewechselt wird. Es gibt jedoch auch andere Maßnahmen für existierende Kompressorstationen, die helfen, Energiekosten zu reduzieren. Auswirkung von Leckagen Die Studie von Radgen/Blaustein zeigt ein durchschnittliches Einsparpotential von 16 % bei einer Reduzierung der Leckagen auf. Der Betreiber einer Kompressorstation sollte daher ein wachsames Auge auf Leckagen in seinem Druckluftsystem haben. Die folgende Abbildung zeigt die durch Leckagen verursachten Kosten.
Leckage- Leckage- Verlust größe menge bei 8 bar ü Energie Geld [ mm ] Größe [ l/min ] [kw] [ /J ] 1 75 0,6 315,- 1,5 150 1,3 683,- 2 260 2,0 1051,- 3 600 4,4 2312,- 4 1100 8,8 4625,- 5 1700 13,2 6938,- Beträge kalkuliert auf Basis von: Stromkosten 0,06 /kwh Leckagezeit 8.760 Std./Jahr Abb. 3: Kosten von Leckagen [1] Jedes Druckluftsystem hat Leckagen. Einige Anlagen haben einen exzellenten Leckageanteil von nur 5 %, andere jedoch haben einen Leckageanteil von 50 % oder sogar mehr. Die Leckagen treten selten in den Hauptrohrleitungen auf, sondern in Flanschen, Verbindungen, Kupplungen, Wartungseinheiten oder dem Druckluftwerkzeug selbst. In unserem Beispiel führt das durchschnittliche Gesamteinsparpotential von 16 % zu einem Energieeinsparpotential von 13.832 /Jahr x 16 % = 2.213 /Jahr. Außerdem führt eine Reduzierung des Leckagevolumens auch zu reduzierten Betriebsstunden des Kompressors: 6.000 Std./Jahr x 16 % = 960 Std./Jahr. Dadurch werden ebenfalls die Wartungskosten reduziert. (6.000 Std./Jahr als Basis, da eine Reduzierung der Lastlaufzeit auch die gesamte Leerlaufzeit beeinflusst.) Das Aufspüren von Leckagen ist kein Problem mit den richtigen Werkzeugen, zum Beispiel einem Ultraschallsensor, der die Schallemissionen einer Leckage aufspürt (siehe Abb.4). Dieser Sensor sollte mindestens zwei Mal pro Jahr in einer Betriebsbegehung verwendet werden, um ein System zu prüfen und Leckagen sollten daraufhin umgehend beseitigt werden. Der Kauf eines Ultraschall-Leckagedetektors ist nur eine kleine Investition, die danach hinzukommenden Aufwendungen sind lediglich die entstehenden Lohnkosten. Das jährliche Einsparpotential hingegen überwiegt die Kosten für Investition und Arbeitskraft mit Sicherheit. Da dieses Gerät nur Ultraschallemissionen aufspürt, kann es auch während des normalen Betriebs der Anlage eingesetzt werden. Abb. 4: Leckagedetektor [3] Es gibt auch einen Weg, den absoluten Wert des Leckagevolumens herauszufinden. Bei komplettem Stillstand aller Druckluftverbraucher gibt es immer noch einen Luftverbrauch auf Grund der Leckagen. Sobald der Druckluftbehälter auf einen gewissen Druckwert gebracht wurde, werden die Kompressoren abgeschaltet und die Geschwindigkeit der Druckreduzierung im Behälter wird gemessen. Eine Druckreduzierung von 8 bar auf 6 bar in einem 1.000 l Behälter über eine Zeit von 2 Minuten entspricht einem Volumenstrom der Leckage von 1.000 l x (8-6) / 2 min = 1.000 l/min. Die Kosten für diese Leckagen würden sich auf ca. 4.500 /Jahr belaufen. (siehe Abb. 3) Eine andere Methode um den Leckageanteil zu messen ist natürlich eine komplette Messung des Druckluftvolumenstroms. Bei dem gemessenen Volumenstrom während der Stillstandzeiten aller
Druckluftverbrauchsgeräte, zum Beispiel während der Nacht oder am Wochenende, muss es sich um Leckagen handeln. Eine der einfachsten Methoden um Leckagekosten zu reduzieren, zumindest außerhalb der Schichtzeiten, ist es, den Kompressor während dieser Zeit abzuschalten, oder besser noch, um schwellende Druckbelastung im Behälter zu vermeiden, ein Ventil hinter dem Behälter zu schließen. Betriebsdruck Ein weiterer sehr wichtiger Faktor, der den Energieverbrauch eines Druckluftsystems beeinflusst, ist der erforderliche Arbeitsdruck. Der erzeugte Druck sollte immer auf dem niedrigstmöglichen Stand sein, um Energiekosten zu sparen. Eine wichtige Regel ist: pro 1 bar zusätzlichen Druck sind ungefähr 6-10 % mehr an Energie notwendig. Das bedeutet, dass eine Reduzierung des Drucks um 1 bar sofort die Energiekosten um 6-10 % verringert. Daher ist es wichtig, alle Druckverluste im Druckluftsystem zu reduzieren, angefangen beim Behälter bis hin zum Luftverbraucher. dryer Trockner Leitung Spiralschlauch 6 bar 2 Filter Druckminderer 12.3 bar 11.3 bar dp 0.3bar dp 1.5 bar dp 1.5 bar dp 1.5 bar dp 0.5 bar 6 bar Abb. 5: Beispiel einer Kompressorstation mit unnötig hohen Druckverlusten Abb. 5 zeigt eine Kompressoranlage mit vielen unnötigen Druckverlusten, die Geld kosten. Obwohl nur 6 bar am Verbrauchspunkt benötigt werden, muss der Behälterdruck 11,3 bar betragen und der Kompressor muss mit einem maximalen Druck von 12,3 bar laufen, aufgrund der notwendigen Druckhysterese bei den Druckeinstellungen für die Kompressorein- und ausschaltung. Spiralschläuche verursachen einen hohen Druckverlust, Druckminderer sollten, soweit möglich, vermieden werden, der Rohrleitungsdurchmesser sollte groß genug sein, um Druckverluste zu reduzieren und Filterelemente sollten so früh wie möglich ersetzt werden. Der Druckabfall bei dieser Anlage könnte sicherlich leicht um 2 bar gesenkt werden, und damit der Energieverbrauch sofort um ca. 15 %. Wenn wir die Energiekosten von 13.832 /Jahr für unseren Beispielkompressor betrachten, wäre das gleich zu setzen mit einer Summe von 2.075 /Jahr. In den meisten Fällen kann dieses Einsparpotential fast ohne zusätzliche Investitionen genutzt werden. Einfache Maßnahmen wie ein frühzeitiger Wechsel der Filterelemente sparen bereits Geld. Die Reduzierung des Druckverlustes in diesen zwei Filtern auf die Hälfte spart allein schon mehr als 800 /Jahr. Das ist weit mehr als die Kosten für die beiden neuen Filterelemente. Der Durchmesser der Rohrleitungen ist ebenfalls sehr wichtig für die Energiekosten. Bei vielen Anlagen ist der Durchmesser der Rohrleitungen viel zu gering. Eine Kalkulation der durch den Druckverlust in der Rohrleitung verursachten Energiekosten und der Vergleich mit den Kosten für zusätzliche Rohrleitungen wird in den meisten Fällen zeigen, dass sich die Investition bereits in weniger als einem Jahr amortisiert.
Natürlich kann der Druck nur auf einen Wert gesenkt werden, bei dem immer noch gewährleistet ist, dass alle Verbraucher effizient arbeiten. Wenn jedoch nur ein geringer Prozentsatz an Druckluft mit einem höheren Druck benötigt wird, macht es Sinn, einen Boosterkompressor zu verwenden, der von einem Standard-Niederdrucknetz gespeist wird, bei dem niedrigere Energiekosten anfallen, und der nur den benötigten kleinen Volumenstrom auf den höheren Druck nachverdichtet. Intelligente Anlagenauslegung Die Erzeugung unterschiedlicher Drücke aus dem Hauptsystem heraus ist bereits eine mögliche Maßnahme bei einer intelligenten Anlagenplanung. Aber es gibt davon eine Menge mehr. Die wichtigste Basis für eine Entscheidung, welche Kompressoranlage zu wählen ist, ist das Wissen über den Druckluftbedarf. Das beinhaltet nicht nur den durchschnittlichen Volumenstrom, sonder auch Informationen über den maximalen und minimalen Strom, Schwankungen beim Volumenstrom, den notwendigen Druck, die notwendige Druckluftqualität und vieles mehr. Nur wenn diese Informationen vorliegen, kann das System optimiert werden, um die Energiekosten auf einem niedrigen Stand zu halten. Das beinhaltet insbesondere die Leerlaufzeiten der installierten Kompressoren. Für Schraubenkompressoren mit einer intelligenten Kompressorsteuerung ist es ziemlich leicht, die Leerlaufzeiten zu analysieren. Die Steuerung gibt Informationen über die Lastlaufstunden und die Leerlauf- bzw. die Gesamtstunden. Der Anteil der Leerlaufstunden kann berechnet werden, indem man die Leerlaufstunden durch die Gesamtstunden teilt. Der Anteil sollte so gering wie möglich sein. Einfache und billige Kompressorsteuerungen, die nur die Gesamtstunden auf einem analogen mechanischen Stundenzähler anzeigen, bieten diese Information nicht. Diese Kompressoren beinhalten normalerweise auch keine intelligenten Systeme, um die Leerlaufzeiten zu minimieren. Unglücklicherweise ist in den meisten Fällen die Information über den benötigten Volumenstrom nicht verfügbar. Eine Planung beinhaltet daher immer Unsicherheiten mit dem Ergebnis von ungewollten Leerlaufzeiten. In den Fällen, in denen eine bereits existierende Anlage modifiziert oder erweitert werden soll, ist die Messung dieser Kompressorstation mit der Erfassung von Volumenstrom und Druck unbedingt anzuraten. Diese Messungen sollten sich über eine komplette Woche erstrecken, um Informationen über jeden Arbeitstag zu erhalten, genau wie über die Nachtzeiten und die Wochenenden. Abb. 6: Messergebnis [4] Das Diagramm in Abb. 6 zeigt das Betriebsverhalten einer Kompressorstation an einem bestimmten Tag, einschließlich der Betriebsarten aller Kompressoren, Druck, Volumenstrom und, in diesem Fall, auch die Drehzahl eines frequenzgeregelten Kompressors. All das kann mit einem Gerät gemessen werden, das ganz einfach in jeder Kompressorstation eingebaut werden kann. Eine Analyse wie diese bietet wertvolle Informationen über die Leistung der Kompressorstation und über ihre Effizienz.
Eine Messung wie diese ist die ideale Basis für die Bewertung der Anforderungen an eine Kompressorstation. Dadurch kann bestimmt werden, ob ein einzelner Kompressor zu wählen ist, oder verschiedene Kompressoren unterschiedlicher Größe oder aber ob ein frequenzgeregelter Kompressor in Frage kommt. Wenn wir uns unsere Beispielanlage vom Anfang betrachten, hätte eine Vorabmessung vielleicht gezeigt, dass eine Kombination zweier unterschiedlich großer Kompressoren (vielleicht 30 kw und 15 kw) effizienter gewesen wäre. Diese Kombination würde den größeren Kompressor als Grundlastkompressor verwenden und den kleineren für die Spitzenlast. Dadurch würde es gelingen, die Kosten für die Leerlaufzeiten von fast 2.000 /Jahr zu halbieren. Für Kompressorstationen mit mehreren Kompressoren ist es wichtig, über eine intelligente übergeordnete Steuerung zu verfügen, die entscheidet welche Kompressorkombination bei einem gewissen geforderten Volumenstrom laufen sollte, um Leerlaufzeiten und damit Kosten zu minimieren. Es gibt kleine Grundlastwechselsteuerungen für kleine Anlagen und komplexe, energiesparende Steuerungen für Stationen mit 16 oder mehr verbundenen Kompressoren. Schon bei Stationen mit mehr als 2 Kompressoren sollte in der Regel eine übergeordnete Steuerung verwendet werden. Ihre Verwendung, anstatt der früher benutzten Kaskadeneinstellungen mit großem Druckband für Anlagen mit mehreren Kompressoren, spart Energie und Geld. Nur die effizienteste Kompressorkombination wird ausgewählt, wodurch die Leerlaufzeit minimiert und gleichzeitig der Druck optimiert wird. Bei allen Diskussionen über die Effizienz einer Kompressorstation und die Planungen einer Anlage ist es immer wichtig die Druckluftproduktion als komplettes System zu betrachten. Ein effizienter Kompressor sorgt nicht automatisch für ein effizientes Gesamtsystem. Ein Fehler bei der Komponentenwahl kann die komplette Effizienz der Anlage zunichte machen. Es ist daher extrem wichtig von vornherein alle Komponenten zu berücksichtigen, um ein optimiertes System zu schaffen. Wärmerückgewinnung 9% Erwärmung des Motors 72% Ölkühler 100% erzeugte Verdichtungswärme 4% Restwärme in der Druckluft 13% Druckluft- Nachkühler 2% Wärmeabstrahlung Während des Verdichtungsvorgangs wird ein hoher Prozentsatz der aufgenommenen Energie in Wärme umgewandelt. Bei einer effizienten Kompressoranlage geht diese Wärme nicht verloren, sondern wird dazu verwendet, bei anderen Anwendungen Energie zu sparen, bei denen Wärme benötigt wird. Ungefähr 70 % bis 80 % der Energie, die benötigt wird, um einen Kompressor zu betreiben, kann zurückgewonnen und an anderen Stellen eingespart werden. Es gibt zwei hauptsächliche Arten für Wärmerückgewinnung bei Schraubenkompressoren: - Verwendung des warmen Kühlluftstroms, des Kompressors - Verwendung der Wärme des Ölkreislaufs des Kompressors Abb. 7: Verdichtungswärme in einem Schraubenkompressor [1]
Abb. 7 zeigt die verschiedenen Wärmeströme aus einem luftgekühlten, öleingespritzten Schraubenkompressor. Die Wärme des Antriebsmotors, des Ölkühlers und des Druckluftnachkühlers verlassen den Kompressor in einem Strom warmer Luft und nehmen dabei 94% der erzeugten Wärme mit. Dieser Kühlluftstrom kann verwendet werden, um Räume oder Hallen zu heizen. Alles was dazu notwendig ist, ist ein Abluftkanal, der mit dem Kühlluftausgang des Kompressors verbunden wird. Abb. 8 zeigt dazu eine Beispielanlage. Dies ist die einfachste Methode für eine Wärmerückgewinnung, die sofort Energie spart, die sonst für die Hallenheizung zusätzlich aufgebracht werden müsste Kühlluftstrom im Winter Kühlluftstrom im Sommer Kühlluft Abb. 8: Beispiel einer Anlage mit Wärmerückgewinnung aus der Kühlluft [1] Ein weiterer möglicher Weg für eine Wärmerückgewinnung ist es, mittels eines Wärmetauschers die Wärme vom Ölkreislauf des Kompressors zu verwenden. Der Vorteil besteht darin, dass die Wärme dann von dem Ort entnommen wird, an dem sie auch erzeugt wird und gleichzeitig vom heißesten Medium. Heißes Wasser mit einer Temperatur von bis zu 70 C kann erzeugt werden, das an anderen Stellen verwendet werden kann. Diese Anwendung könnte ebenfalls wieder als Zusatz zu einer Zentralheizung benutzt werden, wobei eine bedeutende Menge an Öl oder Gas für den Brenner eingespart werden kann. Antriebs- Wärme- Nutzbare Einsparleistung leistung Wärme- potential menge bei 1.000 Betr.h [kw] [kw/h] [MJ/h] [ ] 22 17,7 63,7 1.118 30 24,4 87,8 1.540 37 30,3 109,0 1.912 45 37,7 135,7 2.381 55 45,5 163,8 2.874 65 54,9 197,6 3.467 75 63,1 227,1 3.984 90 74,0 266,4 4.674 110 90,0 324,0 5.684 132 110,5 397,0 6.965 160 133,5 480,6 8.432 200 168,3 605,8 10.628 250 208,9 752,0 13.193 Abb. 9: Einsparpotential für Wärmerückgewinnung (berechnet mit einem Preis von nur 0.50 /l für Heizöl) Abb. 9 zeigt eine Tabelle mit dem möglichen Einsparpotential bei Verwendung der Wärmerückgewinnung. Das Einsparpotential wurde für einen 1-Schicht-Betrieb berechnet (2:000 Betriebsstunden) wobei die Wärmerückgewinnung nur während der Hälfte des Jahres (1.000 Betr.h) im Winter zum tragen kommt. Bei einer Anwendung, bei der die zurückgewonnene Wärme in einem 3-Schicht-Betrieb während des ganzen Jahres genutzt wird, ist das Einsparpotential sogar noch 6 Mal höher. In den meisten Fällen amortisiert sich die Investition für die Wärmerückgewinnungsanlage bereits nach sehr kurzer Zeit. Beim Bau einer neuen Kompressorstation sollte Wärmerückgewinnung immer berücksichtigt werden. Das würde auch bedeuten, den Aufstellungsort des Kompressors so nah wie möglich an den Ort der Wärmenutzung zu legen.
Fazit Druckluft kann auf energieeffiziente und Kosten sparende Art und Weise erzeugt werden. Leider wird das Einsparpotential selten von den Anlagenbetreibern erkannt. Insgesamt ist ein durchschnittliches Einsparpotential von etwa 33 % möglich. Wenn dieses gesamte Einsparpotential bei der abgebildeten Beispielanlage realisiert würde, könnte eine Gesamteinsparung von 13.832 /Jahr x 32.9 % = 4.550 /Jahr erreicht werden. Viele der Schlüsselmaßnahmen wurden in dieser Abhandlung angesprochen. Bei der Planung einer neuen Kompressorstation oder der Erneuerung einer bereits bestehenden Anlage, sollten alle oben erwähnten Punkte in Betracht gezogen werden. Dann kann Druckluft in jedem Betrieb bei höchster Flexibilität und optimalem Preis-/Leistungsverhältnis verwendet werden. [1] BOGE Druckluftkompendium, BOGE Kompressoren [2] Radgen/Blaustein, Compressed Air Systems in the European Union, 2001 [3] Bild: BOGE [4] Auszug aus einer BOGE AIReport Analyse