Die Effizienz im Blick

Druckluft entsteht nicht nur im Inneren des Kompressors. Druckluft wird in einem komplexen System mit vielen zugehörigen Komponenten erzeugt. Wer daher ein effizientes, energiesparendes und vor allem zuverlässiges System haben möchte, sollte immer das Gesamtpaket im Blick haben. Dazu gehört nicht nur die Erzeugung selbst, sondern auch die Verteilung und der Verbrauch, aber auch die Peripherie des Systems, wie die Aufstellungsgegebenheiten, die Kühlung, die Lüftung und die Zugänglichkeit der Druckluft-Station. All diese Punkte sind wichtig für den sicheren Betrieb und die Wirtschaftlichkeit des gesamten Systems.

Obwohl Drucklufttechnik gerade vor dem Hintergrund der Energieeffizienz ein so wichtiges Thema ist, wird sie leider an den Hochschulen wenn überhaupt, dann nur am Rande berücksichtigt. Daher gibt es nur wenige Spezialisten im Bereich der Druckluft-Technik. Abhilfe schafft eine Zusatzausbildung zum Energie-Manager und Druckluftspezialisten, wie sie heute beispielsweise von den Industrie- und Handelskammern angeboten werden.
Grundsätzlich ist es möglich, in einigen Punkten zusammenzufassen, worauf es zu achten gilt, um ein Druckluft-System wirtschaftlich zu konzipieren und zu betreiben. Wobei das System quasi rückwärts, also vom Verbraucher zur Station und deren Umgebung, geplant wird.

Tatsächlichen Bedarfsdruck ermitteln und festlegen
Wer ein Druckluft-System konzipiert, sollte zu allererst den Bedarfsdruck ins Auge fassen. Dieser wird durch die benötig­ten Drücke der Verbraucher plus die Differenz durch Netzanbindung, Rohrleitungen, Druckluftaufbereitung und die Schaltdifferenz der Kompressoren bestimmt. Er sollte also von den Verbrauchern ausgehend rückwärts bis zu den Kompressoren berechnet werden.
Vor dem Verbraucher ist der Anschlussbereich für die Druckluftversorgung angesiedelt. Dieser setzt sich häufig aus einer Wartungseinheit, den Anschlussschläuchen und Druckminderern zusammen und verzeichnet meist einen relativ hohen Druckverlust. Um diesen zu minimieren, empfiehlt es sich, in der Größe passende Anschlussschläuche, effiziente Kupplungen und große Anschlussrohre einzusetzen. Der Druckverlust in diesem Bereich sollte bei maximal 0,3 bar liegen.
An diesen Bereich schließt sich das fest installierte Rohrleitungssystem an. In diesem sollte der Gesamtdruckverlust 0,1 bar nicht überschreiten. Bei der Druckluft-Aufbereitung hängt der tolerierbare Druckverlust davon ab, welche Druckluft-Qualität erforderlich ist. Standardaufbereitungen mit Kältetrocknern liegen hierbei im Bereich von 0,2 bar Differenzdruck. Filter benötigen pro Filtereinheit 0,2 bar Differenzdruck mehr. Das heißt, je höher die erforderliche Druckluftqualität, desto höher ist der Druckverlust, desto höher muss der Einspeisedruck ins Druckluftsystem sein. Zu den genannten Druckverlusten kommt dann noch die Schalt- und Regeldifferenz der Kompressoren hinzu. Diese ist abhängig davon, welche Art von übergeordneter Steuerung in der Station eingesetzt wird.
Im optimalen Fall ist der Unterschied zwischen Verbraucher und Maximaldruck am Kompressor allerdings nicht höher als 1 bar. In Einzelfällen (wenn z. B. die erforderliche Druckluftqualität besonders hoch ist) kann es etwas mehr sein. Ist die Differenz am Ende der Planung jedoch deutlich höher, empfiehlt es sich, das gesamte Konzept nochmals zu überprüfen.

Die richtige Rohrleitung ist wichtig
Nach den Anschlüssen spielt die Qualität der Rohrleitungen und die Art, wie sie verlegt ist, eine wichtige Rolle. Falsche Rohrleitungsmaterialien können die Druckluftqualität wieder verschlechtern. Der Werkstoff sollte deshalb an die Bedingungen der Anwender angepasst sein (z. B. korrosionsbeständig, unempfindlich gegen chemische Einflüsse, etc.).
Der Querschnitt der Rohrleitungen ist so zu wählen, dass der Druckverlust möglichst gering gehalten wird. Auf den Internetseiten von Druckluftsystemanbietern finden sich häufig Werkzeuge zur Berechnung des optimalen Durchmessers für Druckluft-Systeme.
Auch die Art und Weise, wie die Rohre verlegt werden, beeinflusst die Höhe des Druckverlustes. Ringleitungen mit Zwischenverbindungen sind am optimalsten. Außerdem empfiehlt es sich, bei der Planung darauf zu achten, dass Betriebsteile sinnvoll von dem Gesamtleitungssystem abgesperrt werden können, falls eine unterschiedliche Auslastung im Betrieb eine geringere Druckluftverfügbarkeit erfordert. Zusätzlich werden so unnötige Leckagen bei Betriebsstillstand verhindert.
Die Rohrleitungsverbindungen sollten auf jeden Fall absolut dicht sein, um teure Leckagen auszuschließen. Für Druckluftsysteme nicht geeignet sind verschraubte und gehanfte Verbindungen. Im optimalen Fall sind Rohre verschweißt oder haben Pressfittings, notfalls sind sie auch verklebt.
Eine Dichtigkeitsprüfung nach der Installation des Druckluft-Systems gewährleistet, dass im Neu-Zustand von null Leckagen im Hauptrohrleitungssystem ausgegangen werden kann. Nach Inbetriebnahme ist es empfehlenswert, in regelmäßigen Abständen Leckage-Messungen besonders im Bereich der Abnehmer durchzuführen, da dort am häufigsten Leckagen entstehen.

Druckluftbehälter einplanen, richtig auswählen und positionieren
Druckluftbehälter ergänzen ein Druckluftsystem im Hinblick auf Effizienz. Ihre energiekostensparende Funktion wird in vielen Fällen unterschätzt. Druckluftbehälter helfen dabei, Spitzenschwankungen auszugleichen, was dazu führt, dass Kompressoren weniger schalten und der Energiebedarf insgesamt deutlich sinkt.
Der Druckluftbehälter sollte genauso groß gewählt werden, wie die Liefermenge in m³/min des größten schaltenden Kompressors. Dies gilt auch für kontinuierlich geregelte Systeme, wie drehzahlgeregelte Kompressoren. Tritt an manchen Stellen im Netz ein besonders großer diskontinuierlicher Bedarf auf, sollte dort vor Ort ein Behälter installiert werden, um Druckeinbrüche im Gesamtsystem zu vermeiden.

Druckluftaufbereitung entsprechend den tatsächlichen Anforderungen auslegen
Die Qualitätsanforderung des Verbrauchers bestimmt, welche Art von Druckluftaufbereitung notwendig ist. Die Mindestanforderung für Druckluftaufbereitung ist Kältetrocknung, da sie Korrosion der Rohrleitungen, Beschädigung der Verbraucher und eine durch Wasser schlechtere Produktqualität verhindert. Kältetrockner sind die günstigste Art der Druckluft-Aufbereitung. Sie benötigen nur rund 3 % des gesamten Energiebedarfs einer Druckluft-Erzeugung. Vorausgesetzt, es werden Energiespar-Modelle gewählt, die auch im Teillastbetrieb eingesetzt werden können. Geräte, die mit Heißgas-Bypass-Technik ausgestattet sind, können dies in der Regel nicht. Diese treiben die Energiekosten unnötig nach oben, weil sie im Dauerbetrieb laufen müssen – auch dann, wenn gar keine Kältetrocknung benötigt wird.
Wird eine noch höhere Druckluftqualität benötigt, so können Aufbereitungssys­teme auch mit Filtern, Adsorptionstrocknern, Aktiv-Kohle-Adsorbern ausgerüstet werden, wenn beispielsweise der Partikelgehalt oder der Öl- und Kohlenwasserstoffgehalt reduziert werden müssen.
Auch die Umgebungstemperatur am Aufstellort spielt bei der Wahl der Aufbereitungssysteme eine Rolle. Um einen sicheren Drucktaupunkt während des gesamten Jahres zu gewährleisten, bestimmen die Jahresspitzenwerte die Auslegung der Druckluftaufbereitungskomponenten.
Zur Vervollständigung empfiehlt es sich, unbedingt ein Drucklufthalteventil mit einzuplanen. Dies verhindert, dass Wasser in das Druckluftsystem gelangt, wenn die Kompressoren gestartet werden und zu Beginn für kurze Zeit noch nicht in optimalem Modus laufen.

Kompressoren intelligent auswählen und kombinieren
Druckluftstationen können neu oder als Ersatzinvestitionen geplant werden. Wirtschaftlichkeit ist in beiden Fällen relevant. Bei Ersatzinvestitionen gibt ein zuvor durchgeführtes Audit Sicherheit in Bezug auf den tatsächlichen Druckluftbedarf. Die wenigsten Anwender kennen ihren wirklichen Druckluftverbrauch. Mithilfe eines Audits, wie es Druckluftsystemanbieter anbieten, lässt sich dieser jedoch leicht ermitteln. Anschließend hilft eine rechnergestützte Systemanalyse dabei, die maßgeschneiderte Lösung für den jeweiligen Anwender zu finden.
Wird ein System komplett neu geplant, lässt sich aufgrund von maximalen und minimalen Verbrauchswerten eine Simulation erstellen. Diese bestimmt die richtige Größe der Kompressoren und zeigt, ob sie drehzahlgeregelt sein sollen oder nicht. Die Anwendung selbst bestimmt die Art des Kompressors (trocken laufend oder fluidgekühlt). Wichtig ist es, Kompressoren auf keinen Fall zu groß zu wählen, da sie häufig im Teillastbereich Schwächen aufweisen und schlecht regelbar sind. Spezialisten empfehlen, die Kompressoren in der Größe so aufeinander abzustufen, dass kein Regelloch entsteht.

Übergeordnete Steuerungen bringen mehr als nur zusätzliche Effizienz
Übergeordnete Steuerungen sollten heute nicht nur die Möglichkeit haben, Kompressoren bedarfsgerecht einzusetzen, sodass regeltechnische Verluste minimiert werden. Sie sollten auch eine Überwachung beinhalten, vorbeugende Wartung ermöglichen und Luftverbrauch und Energiebedarf aufzeichnen, sodass eine Nutzung im Sinne des betrieblichen Energiemanagements nach EN/ISO 50001 gewährleistet ist.
Moderne übergeordnete Steuerungen, wie beispielsweise der „Sigma Air Manager 2“ („SAM 2“), sind die Manager, die einer Druckluft-Station den Effizienz-Schliff geben. Sie überwachen die einzelnen Komponenten der Station. Einerseits, um sie bedarfsgerecht in optimaler Abstimmung untereinander laufen zu lassen, andererseits, um anhand der gewonnenen Daten zu erkennen, in welchem Zustand die Komponenten sich befinden und ob und wann ggf. eine Wartung notwendig ist. Im Fall einer Störung ist die Steuerung in der Lage, eine Nachricht z. B. an ein Service-Center oder direkt an den zuständigen Monteur zu schicken. Bei entsprechender Ausrüs­tung ist es auch möglich, dass die komplette Druckluft-Station extern durch das Service-Center des Druckluftsystemanbieters überwacht wird, sodass die Techniker jederzeit weltweit unmittelbar Zugriff auf das Geschehen haben und die Anlage optimal einstellen können. Dies führt zu einer wesentlich höheren Verfügbarkeit der Komponenten, reduziert Wartungs- und eventuelle Ausfallzeiten und damit auch die Lebenszykluskosten einer Druckluft-Station.

Der richtige Raum schafft erstklassige Druckluftversorgung
Kompressoren erzeugen Wärme. Bei der Gestaltung des Raumes ist es daher notwendig, auf ein optimales Lüftungssys­tem zu achten, das in Mitteleuropa nicht nur die warme Jahreszeit berücksichtigt, sondern auch für die kalte Jahreszeit ausgelegt ist. Das heißt, es sollte eine thermische Regelung vorhanden sein, damit die Anlagen jederzeit die richtige Betriebstemperatur haben.
Ebenso wichtig ist die Sauberkeit der Station, da Kompressoren wie große Staubsauger agieren und jedes Stäubchen im Kompressoren-Raum die Wartungskosten erhöht. Zudem ist ausreichend Platz einzuplanen, damit der Service möglichst optimale Zugangsbedingungen hat, um die Wartung durchzuführen.

Wärmerückgewinnung spart Energiekosten
Gerade im Bereich der Haustechnik spielt Wärmerückgewinnung eine wichtige Rolle, wenn es darum geht, Energiekosten zu sparen. Kompressoren wandeln 100 % der eingesetzten Energie in Wärme um. Diese Wärme kann ohne Weiteres z. B. für Heizwasser, Prozesswasser oder direkt zur Beheizung von Räumen genutzt werden. Wenn die Kompressoren-Station an der richtigen Stelle steht und beispielsweise mit dem Warmwassersystem verknüpft ist, lassen sich dadurch an anderer Stelle Energiekosten in signifikanter Höhe einsparen.

An Umweltschutz denken
Physikalisch bedingt entsteht in jeder Druckluft-Station Kondensat. Da dieses Kondensat die aus der Luft gefilterten Verunreinigungen in konzentrierter Form enthält, darf dieses nicht ohne Weiteres in das Abwassersystem zurückgegeben werden. Eine korrekt geplante und umgesetzte Druckluftstation schließt daher eine fachgerechte Ableitung des Kondensats aus dem Druckluft-System und die Kondensataufbereitung mit ein.

Autoren: Dipl.-Ing. (FH) Erwin Ruppelt, leitender Projektingenieur, Dipl. Betriebswirtin Daniela Koehler, Pressesprecherin, beide Kaeser Kompressoren SE

Bilder: Kaeser Kompressoren SE

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