Autor: Gunter Gammelin ist Gebietsverkaufsleiter bei der Almig Kompressoren GmbH in 73257 Köngen

Optimale Druckluft-VersorgungErzeugung absolut ölfreier Druckluft mit 22,5 % weniger elektrischer Energie

Gunter Gammelin

Eine Druckluft-Versorgung muss

vier Anforderungen erfüllen. Nur

dann verdient sie das Prädikat

„optimal“. Die Druckluft muss

immer mit höchstmöglicher Wirt-

schaftlichkeit und Zuverlässigkeit

in ausreichender Menge und

genügend Redundanz und in einer

Qualität verfügbar sein, die den

speziellen Anforderungen der

Branche bzw. des Einsatzes ent-

spricht. Bereits ein unerfülltes

Kriterium kann schnell erhebliche

Kosten, eine mangelhafte Produkt-

qualität und im Extremfall sogar

längerfristige Produktionsstill-

stände verursachen.

Deshalb wollte auch ein in Norddeutsch-land ansässiges Unternehmen der Fleisch-warenindustrie mit einer neuen, zukunfts-sicheren Druckluft-Versorgung alle Risiken ausschließen. Mit einem neuen Konzept wollte man nicht nur die Forderungen der internationalen Kunden nach 100 % ölfreier Druckluft-Erzeugung, sondern auch den ei-genen Anspruch erfüllen, Druckluft auf höchstmöglichem Qualitätsniveau zu pro-duzieren. Trotz ausreichender Kompressor-leistung – allerdings ohne Redundanz – und teilweise drehzahlgeregelter Kompressoren fehlte nicht nur eine optimale Anpassung an den stark schwankenden Bedarf.

Die Ausgangssituation

Bis Juni 2012 musste die Druckluft auch mit öleingespritzten Schraubenkompressoren erzeugt und dann mit zusätzlichen Kosten und Risiken aufbereitet werden. Mit einer

neuen Station mit drei unterschiedlich großen, drehzahlgeregelten Schrauben-kompressoren mit Wassereinspritzkühlung aus der LENTO-Baureihe von Almig wurde jetzt ein mustergültiges und zukunftssi-cheres Konzept realisiert, wofür bereits im Vorfeld eine Energie-Einsparung von 22,5 % gegenüber der alten Station prognostiziert wurde. Weitere Einsparpotenziale können durch die vorbereitete Wärmerückgewin-nung realisiert werden, sobald die hausin-terne Versorgungstechnik auf die Wärme-abnahme umgestellt ist.

Für das Unternehmen mit einer durchra-tionalisierten Produktion ist eine störungs-freie Versorgung mit ölfreier Druckluft un-verzichtbar. Sie wurde bis Anfang Juni 2012 durch vier ältere öleingespritzte Schrauben-kompressoren mit einem maximalen Ge-samtvolumenstrom von 24,6 m³/min er-zeugt (Tabelle 1) und anschließend durch Filtration aufbereitet. Allerdings arbeitet ei-ne Druckluft-Aufbereitung nur bei regelmä-ßiger und vorschriftsmäßiger Wartung der Aufbereitungskomponenten einwandfrei. Trotzdem kann ein plötzlich auftretender Filterdurchbruch nicht ausgeschlossen wer-den. Dann tritt die Druckluft mit einem Restölgehalt von 3 bis 5 mg/m³ in das Netz und durch die Entspannung in den Maschi-nen in die Arbeitsräume ein, wo sie alle Ein-richtungen und lebensmittelberührenden Bestandteile mit einem leichten Ölfilm überziehen würde. Außerdem müssten die-se Ölbestandteile dann von den Mitarbei-tern eingeatmet werden.

Die Anlagen der alten Station waren nicht nur bereits mehrere Jahre alt. Sie fuhren auch am Limit ohne Redundanz und konn-ten trotz einer drehzahlgeregelten Anlage nicht optimal an den Druckluft-Bedarf, ins-besondere in Schwachlastzeiten, angepasst werden. Außerdem hätte ihre nicht uner-hebliche Lärmbelästigung am bisherigen

ErzEugung

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Blick in die neue Druckluft-Station, im Vordergrund die 31-kW-Anlage, dahinter die zwei 110-kW-Anlagen

Kompressor Motor-nennleistung Volumenstrom (maximal)

Volumenstrom (minimal)

Bemerkungen

Anlage 1 22 kW 3,2 m³/min feste Drehzahl

Anlage 2 30 kW 4,7 m³/min feste Drehzahl

Anlage 3 50 kW 8,0 m³/min 1,5 m³/min drehzahlgeregelt

Anlage 4 55 kW 8,7 m³/min feste Drehzahl

Tabelle 1: Die Kompressoren der alten Druckluft-Station

lichen Energie-Einsparpotenziale. Dadurch können das zu erwartende Kosten-Nutzen-Verhältnis und der daraus resultierende „Return on Investment“ im Voraus präzise kalkuliert werden. Im Messzeitraum wur-den die folgenden Bedarfsbandbreiten er-mittelt:n Während der Arbeitsschichten von Mon-tag bis Freitag pendelte der Bedarf zwischen 17 und 22 m³/min,n in den Nebenzeiten und an den arbeits-freien Tagen jedoch nur zwischen 2 und 5 m³/min.

Im Einzelnen lieferte die EBS-Analyse für die alte Station im Messzeitraum die in Tabelle 2 dargestellten Liefermengen, Energieverbräuche und Energiekosten, die außerdem auf 1 Jahr hochgerechnet wur-den (Berechnungsbasis der Energiekosten 0,083 Euro/kWh).

Als optimale Lösung empfahl die Simula-tion in Stufe 3 des EBS-Systems die Installa-tion von drei drehzahlgeregelten Schrau-benkompressoren mit Wassereinspritzküh-lung aus der LENTO-Baureihe von Almig mit folgenden Daten:n zwei Anlagen des Typs LENTO 110 (Mo-tornennleistung 110,0 kW, Volumenstrom jeweils von 4,66 bis 19,62 m³/min),

n eine Anlage des Typs LENTO 31 (Motor-nennleistung 30 kW, Volumenstrom von 1,97 bis 4,75 m³/min).

Dieser Vorschlag wurde an einem neuen Standort auch realisiert und Anfang Juni 2012 in Betrieb genommen, die alte Station ging anschließend vom Netz. Die drei neu-en drehzahlgeregelten Almig-Anlagen wer-den durch die integrierte Steuerung Air Control 3 mit einem konstanten Druck von etwa 7,5 bar im Leitungsnetz und mit einem Druckband von nur ±0,1 bar bedarfsabhän-gig und mit optimaler Energieausnutzung nach folgendem Konzept gefahren:n Während des zwei- bzw. dreischichtigen Betriebs von Montag bis Freitag werden die zwei großen Kompressoren 1 und 2 parallel im mittleren Leistungsbereich und damit besonders energiegünstig betrieben. Bei Ausfall einer Anlage deckt die zweite 110-kW-Anlage den Bedarf alleine (gegebenen-falls im Verbund mit Kompressor 3).n In den Nebenzeiten und am Wochenende deckt der kleine Kompressor 3 den Bedarf unter anderem der Kühlanlage alleine ab. Bei einer Störung dieser Anlage startet au-tomatisch Kompressor 1 oder 2.

Dieses Konzept garantiert auch während einer Wartung oder Störung durch die Zu-

Standort erhebliche Umbaumaßnahmen erfordert.

Das neue Druckluft-Konzept

Abhilfe konnte nur ein völlig neues Druck-luft-Konzept schaffen. Mehrere Anfragen bei bekannten Herstellern verliefen bis auf eine Ausnahme allerdings enttäuschend. Der Lebensmittel verarbeitende Betrieb forderte – auch aus marketingtechnischen Gründen – absolut ölfreie Druckluft, die auch sofort ölfrei erzeugt werden sollte. Schraubenkompressoren mit Öleinsprit-zung wurden deshalb für das neue Konzept wegen der erforderlichen anschließenden Filtration ebenso abgelehnt wie trocken-laufende Kompressoren wegen des hohen Wartungs- und Energieaufwandes. In der geforderten Größenordnung konnte Almig mit den wassereingespritzten, drehzahlge-regelten Schraubenkompressoren aus der LENTO-Baureihe ein optimales Konzept bieten, das sofort absolut ölfreie Druckluft produziert. Das wassereingespritzte Ver-dichtungskonzept, die hohe Wirtschaftlich-keit dieser Anlagen und der niedrige Ge-räuschpegel haben sofort überzeugt. Sehr positiv bewertet wurden auch die gemein-same Planung und die Möglichkeit einer schlüsselfertigen Anlage aus dem Hause Almig.

Detaillierte Bedarfsmessung durch EBS-AnalyseFür eine optimale Dimensionierung der neuen Druckluft-Station hat Almig den ak-tuellen Druckluft-Bedarf im April 2011 über sieben Tage mit dem EBS-System (Energie-Bilanzierungs-System) ermittelt. Das com-putergestützte EBS-System zeigt in drei Schritten den Weg zu einem mit höchster Energie-Effizienz arbeitenden Druckluft-System. In Stufe 1 (Messung) werden alle Informationen über die aktuelle Ist-Situati-on wie z. B. Einzel- und Gesamtliefermen-gen, Auslastungen, Betriebsdrücke usw. be-schafft. In Stufe 2 (Analyse) werden die ge-messenen Daten von einer Auswertesoft-ware analysiert, die aktuellen Energiekosten detailliert dargestellt und auf ein Jahr hoch-gerechnet. Zusätzliche tabellarische und grafische Darstellungen mit einer Vielzahl von Daten ermöglichen eine genaue Analy-se und die optimale Beratung des Kunden. In Stufe 3 (Simulation) erstellt das EBS-Sys-tem Lösungsvorschläge, berechnet die zu erwartenden Energiekosten und die mög-

ErzEugung

DRUCKLUFTTECHNIK 9-10/2012      25

Der Kühlwasser-Kreislauf der drei

LEnTO-Kompressoren wird in zwei rückkühl-

anlagen auf dem Hallendach zurückge-

kühlt

Kriterium Messzeitraum 12. bis 18. April 2011

Hochrechnung auf 1 Jahr (52 Wochen)

Betriebszeit der Druckluft-Station im Messzeitraum  (mindestens 1 Kompressor in Betrieb)

164 Bh

Betriebsstunden gesamt  (Last- und Leerlauf aller Kompressoren)

305 Bh 15 864 Bh

Liefermenge aller Kompressoren 86 153 m³  447 9963

Energieverbrauch aller Kompressoren  (Last- und Leerlauf)

11 793 kWh  613 212 kWh 

Energiekosten aller Kompressoren 979 Euro 50 897 Euro

Tabelle 2: Energiekosten im Messzeitraum und Hochrechnung auf 1 Jahr

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schaltung einer Redundanz-Anlage immer eine ausfallsichere Versorgung. Selbst bei einer Erweiterung der Fertigungsanlagen wird die vorhandene Reserveleistung den erhöhten Druckluft-Bedarf zunächst abde-cken. Für eine eventuell später erforder-liche Leistungssteigerung bietet das um-fangreiche LENTO-Programm alle Mög-lichkeiten für eine optimale Erweiterung. Auf Wunsch des Auftraggebers wurden alle drei Kompressoren mit integrierter Wär-merückgewinnung ausgestattet. Über die in den Kompressoren integrierte Steuerung kann der Betreiber die Temperatur des Kühlwassers verändern und für die Brauch-wasser-Vorwärmung Temperaturen bis 50 °C erzeugen.

22,5 % weniger elektrische EnergieFür diese vorgeschlagene Maschinen-Kon-figuration mit drei LENTO-Kompressoren ermittelte das EBS-System in einer Hoch-rechnung auf 1 Jahr die Veränderung der Betriebsstunden, der Liefermenge, des Energieverbrauchs und der Energiekosten gemäß Tabelle 3. Durch die prognostizierte Senkung des Energieverbrauchs um 22,5 % reduzieren sich die Energiekosten ebenfalls um 22,5 %, konkret um 11 249 Euro von 50 897 auf nur noch 39 649 Euro. Außerdem

prognostizierte das EBS-System extrem niedrige Leerlaufanteile von etwa 1 % für die zwei 110-kW-Anlagen und rund 2 % für die 37-kW-Anlage.

Almig fertigt die LENTO-Schraubenkom-pressoren mit Wassereinspritzkühlung in luft- und wassergekühlter Ausführung für Drücke von 5 bis 10 und 13 bar als drehzahl-geregelte Anlagen (Antriebsleistungen 15 bis 110 kW, Volumenströme von 0,86 bis 19,6 m³/min) und mit fester Drehzahl bis 75 kW. Alle Anlagen der LENTO-Baureihe wurden von TÜV Rheinland nach ISO 8573-1 Klasse 0 klassifiziert. Sie starten energiescho-nend ohne Stromspitzen und werden ohne Schaltspiele und ohne teure Last-/Leerlauf-Zeiten exakt an den jeweiligen Druckluft-Be-darf angepasst. Mit diesen Anlagen können bestehende Druckluft-Stationen mit festem und wechselndem Druckluft-Bedarf optimal realisiert werden. Die außerdem lieferbaren ölfreien Kolbenkompressoren „unterhalb“ sowie die ölfreien DUPLEXX-Schrauben-kompressoren und die ölfreien DYNAMIC-Turbokompressoren mit Nennleistungen bis 2 000 kW machen Almig zum echten „Full Li-ner“ im Bereich der ölfreien Druckluft.

Bewährte LENTO-Technik

Alle LENTO-Anlagen arbeiten mit einem geschlossenen autarken Wassereinspritz-

Kriterium Alte Station neue Station Veränderung

Betriebsstunden [Bh] 15 864 10 535 -33,6 %

Volumenstrom [m³/min] 4 479 963 4 390 834 -2,0 %

Energieverbrauch [kWh] 613 212 477 683 -22,5 %

Energiekosten [Euro] 50 897 39 648 -22,5 %

system, benötigen keinen Anschluss an das Trinkwassernetz und erfordern bei Inbe-triebnahme lediglich eine einmalige Befül-lung. Das Einspritzwasser dichtet – wie das Öl in öleingespritzten Schraubenkompres-soren – die Spalte zwischen den Rotoren so-wie zwischen den Rotoren und den Wan-dungen der Verdichtungsstufe und arbeitet als Kühlmittel während des Verdichtungs-vorganges. Allerdings besitzt Wasser im Ver-gleich zu Öl eine sehr viel bessere Wärme-aufnahmekapazität und kann auch viel leichter bei der Einspritzung zerstäubt wer-den, wodurch sehr niedrige Verdichtungs-endtemperaturen von unter 60 °C realisiert werden und der Verdichtungsprozess damit näher an die isotherme Verdichtung heran-reicht. Daraus resultiert ein besserer Wir-kungsgrad der Verdichtungsstufe.

Ein Abscheider innerhalb der Anlage trennt Druckluft und Wasser wieder weitge-hend. Die Rotoren aus einem hochfesten Kunststoffcompound und Edelstahl lagern in den hochpräzise gefertigten Verdich-tungsstufen aus korrosionsfesten Materi-alien für maximale Betriebssicherheit in Zy-linderrollen- und Schrägkugellagern. Me-chanische Dichtungen und zusätzliche at-mosphärische Zwischenräume garantieren die einwandfreie Abdichtung zum absolut ölfreien Verdichtungsraum. In einem integ-rierten Kältetrockner wird die 100 % gesät-tigte Druckluft mit einem Drucktaupunkt von 3 bis 7 °C zurückgekühlt, so dass in vie-len Anwendungen ein zusätzlicher externer Kältetrockner nicht erforderlich ist. Ausfal-lendes Kondensat wird als Frischwasser in den internen Wasserkreislauf zurückge-führt. Ein elektronischer Kondensatableiter scheidet überschüssiges Kondensat aus, das – weil ölfrei – direkt in die Kanalisation ein-Tabelle 3: Prognostizierte Energie-Einsparung

ErzEugung

Das Funktionsschema zeigt die Luft- und Wasserkreisläufe in einem LEnTO-Kompressor

Die grafik verdeutlicht die Energie-Einsparung der isothermen gegenüber der adiabaten Verdichtung

geleitet werden kann. Durch die perma-nente Zuführung von reinem Kondensat in den Wasserkreislauf ergibt sich eine kons-tant hohe Wasserqualität, deren Belastung deutlich niedriger ist als bei der Erstbefül-lung durch Leitungswasser in Trinkwasser-Qualität. Ein Wasserfilter filtert mit der An-saugluft in das System eingetragene Schwebstoffe aus. Eine deutliche Reduktion von organischen und anorganischen Be-standteilen im Verhältnis zu der ange-saugten Luft ist durch unabhängige Institu-te mehrfach eindeutig belegt.

Alle drei neu installierten LENTO-Kom-pressoren wurden mit der integrierten Sen-sorsteuerung Air Control 3 von Almig aus-gestattet. Die Steuerung fährt die Anlagen mit hoher Energie-Effizienz in einem Druckband von nur 0,1 bar und dokumen-tiert alle wichtigen Betriebsdaten. Sie ver-fügt über ein ergonomisches Bedientableau mit großem LCD-Display und kontinuier-licher Klartextanzeige aller wichtigen Para-

meter. Sie ermöglicht Selbsttests, kontinu-ierliche Überwachung, Warnanzeigen, Timerkanäle, eine optionale Zubehörver-waltung und eine Grundlast-Wechselschal-tung. Nach der Realisierung einer beim Be-treiber zur Zeit noch nicht verfügbaren Leit-warte wird eine Air-Control-3-Steuerung durch eine übergeordnete Almig-Steuerung ersetzt, die dann als Master-Steuerung die Station fährt und alle Signale der Station an diese Leitwarte weitergibt. Optional wäre dann sogar die Weitergabe dieser Signale an eine externe Fernwarte möglich, auf Kun-denwunsch z. B. bei Almig in Köngen.

Obwohl die LENTO-Kompressoren bereits über einen integrierten Kältetrockner (Drucktaupunkt 3 bis 7 °C) verfügen, wird die Druckluft in einem zusätzlichem externen Kältetrockner des Typs ALM 1850 von Almig für einen Volumenstrom von 28,33 m³/min auf einen Drucktaupunkt von 2 bis 3 °C ge-trocknet. Dieser zusätzliche Kältetrockner soll das Auskondensieren der Druckluft in den Produktionshallen verhindern, die zum Schutz der zu verarbeitenden Lebensmittel auf einem sehr niedrigen Temperatur-Ni-veau gehaltenen werden. Vor Eintritt in das Netz werden in der Druckluft eventuell noch enthaltene Partikel in einen Mikrofil-

ter (maximale Partikelgröße 1 µm, Abschei-degrad 99,985 %) und in einem Submikro-filter (maximale Partikelgröße 0,01 µm, Ab-scheidegrad 99,99999 %) gereinigt. Sowohl der externe Kältetrockner als auch die Filter sind über Bypass-Leitungen installiert. Zwei Druckluft-Behälter und das Rohrleitungs-netz ergeben ein Speichervolumen von ins-gesamt 3 m³, das dank der bedarfsabhän-gigen Arbeitsweise der LENTO-Kompres-soren völlig ausreicht. Alle drei LENTO-Kompressoren sind wassergekühlt und haben einen eigenen geschlossenen Kühl-wasserkreislauf. Das warme Kühlwasser wird in zwei ebenfalls von Almig geliefer-ten, auf dem Hallendach installierten Rück-kühlanlagen zurückgekühlt. Für eine be-sonders geräuscharme Betriebsweise wer-den die Rückkühlanlagen parallel gefahren, so dass die temperaturabhängig frequenz-geregelten Ventilatoren mit halber Drehzahl betrieben werden können. Die gesamte Sta-tion einschließlich der Rohrleitungsar-

beiten und der Rückkühlanlagen mit Aus-nahme der Elektroarbeiten wurde von Almig mustergültig realisiert.

Fazit

Mit dieser Station verfügt das Unternehmen jetzt über ein ideales und vor allem auch zukunftssicheres Konzept, mit dem jetzt so-fort absolut ölfrei erzeugt wird. Damit erfüllt der Betreiber auch die zunehmenden For-derungen seiner anspruchsvollen Kunden. Mit dem neuen Konzept entfallen nicht nur alle zusätzlichen Kosten und Risiken einer nachträglichen ölfreien Aufbereitung. Das Unternehmen produziert die Druckluft jetzt auch mit höchster Versorgungssicherheit und Wirtschaftlichkeit dank 22,5 % weniger elektrischer Energie. Das hat die von Almig im Vorfeld durchgeführte EBS-Analyse auf der Basis der Situation im Messzeitraum prognostiziert. In der Realität werden diese Werte sogar noch übertroffen.

Almig� www.vfmz.net/1002330

Alle LENTO-Anlagen wurden von TÜV Rheinland nach ISO 8573-1 Klasse 0 klassifiziert

Werkbilder: Almig Kompressoren GmbH, 73257 Köngen