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Energieeffiziente Drucklufttechnik

Für die Erzeugung von Druckluft werden in Deutschland rund 16 Mrd. kWh Strom je Jahr benötigt. Dies sind etwa 7 Prozent der in der Industrie eingesetzten elektrischen Energie; in den Staaten der Europäischen Union sollen es nach Schätzungen rund 10 Prozent des industriellen Stromverbrauchs sein. Der "Energieträger Druckluft" ist ein wertvoller und teurer Energieträger – trotz des Sachverhalts, dass Luft als Ausgangsstoff kostenlos und praktisch unbegrenzt verfügbar ist.

Ein Mann bearbeitet etwas mit einem Druckluftwerkzeug.
Quelle: Kaeser
Die Anwendungen von Druckluft haben sich in den vergangenen Jahrzehnten auf viele Fertigungsbereiche ausgeweitet. Gründe hierfür sind die Schnelligkeit sowie die zeitliche und örtliche Genauigkeit von Druckluftanwendungen.

Der Stromverbrauch für den Verdichter (auch als Kompressor bezeichnet) stellt bei der Drucklufterzeugung im Allgemeinen den größten Kostenfaktor dar. Der Energiebedarf ist umso größer, je höher der Druck ist, auf den die Luft verdichtet wird, je umfangreicher der Bedarf an Druckluft ist, und je höher die Anforderungen an die Druckluftbeschaffenheit (die "Druckluftqualität") sind. Ein Normkubikmeter Druckluft kostet etwa 1,5 bis 3 Cent. Bei Anlagen mit wenigen Betriebsstunden betragen die Stromkosten nur rund 20 Prozent der Betriebskosten, bei Anlagen im Dauereinsatz bis zu etwa 80 Prozent.

Deshalb ist es – mit Blick auf die Erhöhung der Energieeffizienz von Druckluftsystemen – sinnvoll, zunächst zu prüfen, inwieweit das Druckniveau, der Druckluftbedarf und die Anforderungen an die Druckluftbeschaffenheit der Verbraucher verringert werden können, ohne dass es dabei zu einer Verschlechterung der von der Druckluft zu erbringenden Dienstleistungen in der Fertigung kommt.

Hiernach sollten die Komponenten des Druckluftsystems überprüft werden. Dazu gehören die Druckluftverteilung über das Rohrnetz und die Anlagen zur Erzeugung der nötigen Druckluftbeschaffenheit (Trocknungs- und Filtertechniken einschließlich der Entsorgung von Reststoffen); ebenso ist die Verdichtertechnik zur Drucklufterzeugung zu überprüfen, wobei u.a. auch eine effiziente Abwärmenutzung Bedeutung hat.

Druckluft-Anwendungen

Die Anwendungen von Druckluft haben sich in den vergangenen Jahrzehnten auf viele Fertigungsbereiche ausgeweitet. Gründe hierfür sind die Schnelligkeit sowie die zeitliche und örtliche Genauigkeit von Druckluftanwendungen. Druckluft auf unterschiedlichen Druckniveaus treibt Zahnarztbohrer an, sorgt für die Beatmung von Patienten auf der Intensivstation, regelt technische Systeme bei der industriellen Fertigung unterschiedlichster Bauteile, wird bei Lackieranlagen in der Kraftfahrzeugindustrie eingesetzt, bläst Kunststoffrohlinge zu Ein- oder Mehrweg-Getränkeflaschen auf, belüftet Klärbecken in Kläranlagen, reinigt Rohrsysteme oder legt zum Schutz von Meeres-Säugetieren einen "Blasenschleier" um die – unter Wasser liegenden – Baustellen von seegestützten Windkraftparks.

Druckluft kann nicht nur bei teil- und vollautomatisierten Fertigungsaufgaben, sondern auch bei manuellen Aufgaben genutzt werden: Es können nicht nur stationäre Drucklufttechniken, sondern auch – begrenzt mobile – Druckluftwerkzeuge verwendet werden, wobei ein hohes Drehmoment bzw. eine hohe Kraft bei geringem Gewicht erbracht werden kann und eine gut beherrschbare Handhabung mit entsprechendem Nutzen möglich ist. Auch spielt es eine Rolle, dass Druckluftanwendungen ein vergleichsweise geringes Gefahrenpotential aufweisen. Im Allgemeinen werden folgende Anwendungsbereiche unterschieden:

Prozessluft

Wenn Druckluft in einem Prozess nicht mittelbar, sondern unmittelbar eingesetzt wird, wird sie als Prozessluft bezeichnet. Beispiele hierfür sind Fermentationsprozesse mit aeroben Bakterien, wobei Gärluft erforderlich ist; weiter hat die Belüftung von Klärbecken in Kläranlagen Bedeutung. Beim Trocknen von Gütern – etwa in der Lebensmittelindustrie – findet Prozessluft ebenfalls Anwendung.

Arbeits- bzw. Energieluft

Arbeitsluft gehört in der Industrie – neben Strom und Erdgas – zu den wichtigsten Medien zur Energieübertragung. In vielen hochautomatisierten industriellen Fertigungsprozessen werden Pneumatiksysteme eingesetzt, wobei ihre flexible Handhabung sowie Miniaturisierungslösungen zu ihrer verstärkten Nutzung beitragen.

Druckluft dient dabei z.B. zum Antrieb von Turbinen oder auch Linearmotoren. Der Antrieb erfolgt "weich"; die Antriebsmaschinen sind kompakt. Druckluft wird auch als Blasluft zur Formgebung eingesetzt – etwa bei der Herstellung von Hohlkörpern in der Sanitärtechnik oder dünner Kunststoffflaschen – z.B. aus dem hochbelastbaren Kunststoff PET.

Vier pneumatische Antriebe.
Quelle: Festo
Pneumatische Antriebe.

In Explosionsschutzbereichen können Lösungen mit Druckluft ebenfalls vorteilhaft angewandt werden: In explosionsgefährdeten Räumen werden bevorzugt Druckluftantriebe eingesetzt, weil Elektromotoren wegen der Gefahr der Funkenbildung nicht angewandt werden können; Beispiele sind der Bergbau oder der Umgang mit gefährlichen Chemikalien.

Aktivluft

Druckluft wird als Fördermedium genutzt, indem sie in körniges oder pelletiertes Fördergut (Schüttgut) eingeblasen wird, um dieses fließfähig zu machen. Darauf wird das Luft-Fördergut-Gemisch durch Rohre geleitet. Als Anwendungsbeispiele für diese "Aktivluft" sind das Befüllen von Holzpellet-Lagern und die Handhabung von feinkörnigen oder staubförmigen Lebensmitteln (z.B. der Transport von Getreide oder Mehl) zu nennen. Auch in der Textilindustrie hat Druckluft Bedeutung; daneben wird Aktivluft bei Mess- und Positionieraufgaben angewandt.

Ein pneumatischer Förderer für die Chemie-, Pharma- und Lebensmittelindustrie.
Quelle: Solutions Group
Pneumatischer Förderer für die Chemie-, Pharma- und Lebensmittelindustrie.

Industrielles Vakuum

Es gibt Fertigungsaufgaben, bei denen statt Druckluft Luft eingesetzt wird, die gegenüber der Umgebungsluft einen Unterdruck aufweist. Damit können z.B. Positionieraufgaben erfüllt werden; weiter lassen sich dünne Kunststoffhalbzeuge durch Vakuumanwendung in die gewünschte Form bringen – etwa bei der Herstellung von Innenauskleidungen von Kühlschränken mithilfe von Saugluft. Fertigungsvorgänge in Reinräumen und Reinsträumen – z.B. bei der Fertigung elektronischer Bauteile – erfolgen teilweise bei Unterdruck; dabei werden kleine Spezial-Vakuumpumpen zur Erzeugung des Unterdrucks genutzt.

Die Grafik zeigt die Anteile von industriellen Anwendungen elektrischer Antriebe am Stromverbrauch.
Quelle: Kaeser
Anteile von industriellen Anwendungen elektrischer Antriebe am Stromverbrauch.

Druckniveaus

Viele pneumatische Anwendungen benötigen einen Standard-Überdruck von 6,3 bar gegenüber dem Atmosphärendruck. Bei klassischen Druckluftanwendungen können die Überdrücke auch höher sein – z.B. 8 bar, 10 bar oder auch 12,5 bar. Solche Überdrücke können in der Regel mit einstufigen öleingespritzten oder auch ölfreien Schraubenverdichtern sowie von einstufigen Kolbenverdichtern oder Membranverdichtern abgedeckt werden. Für große Volumenströme können – wenn das Standard-Überdruckniveau von 6,3 bar gefordert ist – auch Turboverdichter eingesetzt werden.

Ein Schraubenverdichter.
Quelle: Kaeser
Schraubenverdichter.

Anwendungen im Hochdruckbereich

Für Überdrücke bis zu etwa 500 bar werden oft mehrstufige Verdrängerverdichter wie Kolben- oder Membrankompressoren genutzt. Wenn in einem Unternehmen zahlreiche Anwendungsfälle bei 6,3 bar liegen und nur wenige zusätzliche Anwendungsfälle einen höheren Druck benötigen, ist es energieeffizient, die Versorgung dieser Hochdruck-Anwendungen über das Standardnetz mit nachgeschalteten dezentralen Druckerhöhungsverdichtern ("Boostern") vorzunehmen.

Anwendungen im Grobvakuum und im Bereich geringer Überdrücke

Der Überdruckbereich von etwa 1 bar kann mit Drehkolbenverdichtern, Wälzkolben- und Seitenkanalgebläsen abgedeckt werden. Wegen des geringen Druckverhältnisses ist der Energieaufwand deutlich geringer als z.B. die Verdichtung auf einen Überdruck von 6,3 bar.

Mit Drehschieber- und Vakuumpumpen lässt sich ein "Grobvakuum" – also ein geringer Unterdruck gegenüber dem Luftdruck der Umgebung – erzeugen. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, mit Druckluft unter Nutzung der Injektorwirkung ein Grobvakuum herzustellen. Eine solche Lösung sollte jedoch wegen des unnötig hohen Energieaufwandes nur dann verwirklicht werden, wenn keine – energetisch effizienteren – Vakuumpumpen eingesetzt werden können.

Anwendungen im Niederdruckbereich

Sind Überdrücke im Bereich von etwa 2 bis 2,5 bar erforderlich, wird dies als die Anwendung von Niederdruck bezeichnet. Als Verdichterbauarten kommen rotierende Verdrängerkompressoren in Betracht, bei großen Volumenströmen haben sich hier Axial-Turbokompressoren bewährt. Falls in der Fertigung neben Anwendungen etwa auf Standard-Druckniveau auch zahlreiche Niederdruckanwendungen vorliegen, sollte aus energetischen und ökonomischen Gründen ein gesondertes Niederdrucksystem installiert und betrieben werden; damit kann eine Lieferung von Druckluft z.B. mit 6,3 bar und eine Drosselung mithilfe von Druckminderern umgangen werden.

Erhöhung der Energieeffizienz von Druckluftsystemen

Bei der Verbesserung der Energieeffizienz ist die Blickrichtung von den Verbrauchern zu den Erzeugungssystemen angebracht, weil das Druckniveau, die Mengenströme und die Anforderungen an die Beschaffenheit der Druckluft von den jeweiligen Verbrauchern vorgegeben werden – denn davon hängen die Auslegung und die Optimierung der vorgeschalteten Systemkomponenten ab: die Erzeugung (u.a. auch die Wärmerückgewinnung), die Aufbereitung, die Regelung, die Speicherung und die Verteilung.

Druckluft-Erzeugung, -Regelung und -Speicherung

Im Allgemeinen ist der Druckluftbedarf nicht konstant, sondern ändert sich abhängig vom Fertigungsablauf. Mit mehreren, kleiner ausgelegten Verdichtern zur Abdeckung der Grund-, Mittel- und Spitzenlast, die übergeordnet geregelt werden und von denen einer drehzahlgeregelt betrieben werden sollte, lässt sich die Erzeugung an den Bedarf anpassen. Mehr Flexibilität wird durch den Einsatz eines Druckluftspeichers erreicht.

Ungünstig ist dagegen ein Ein-/Aus-Betrieb beim Betrieb nur eines oder nur weniger Verdichter, die ohne Drehzahlregelung betrieben werden: Dabei muss ein zeitweilig unnötig erhöhter Druck aufgebaut werden. Auch verringert ein häufiger Ein-/Aus-Betrieb die Anlagenlebensdauer.

Bei der Auswahl der Verdichter sollte auf einen möglichst niedrigen Wert der erforderlichen elektrischen Leistung je Druckluft-Normalvolumenstrom (Angaben in kW je Normalkubikmeter und Minute oder in kWh je Normalkubikmeter) geachtet werden. Beim Vergleich von Angaben ist zu beachten, dass die Werte mit dem notwendigen Druckniveau ansteigen; deshalb ist der Vergleich von Verbrauchswerten verschiedener Fabrikate auf dasselbe Druckniveau zu beziehen.

Schema des Aufbau eines Druckluftsystems.
Quelle: Autor
Druckluftsystem: Verdichter, Aufbereitung, Speicher, Rohrleitungen und Anwendungen.

Wärmerückgewinnung

Die energieeffizienteste Verdichtung ist die Verdichtung bei gleichbleibender Temperatur. Um sich dieser isothermen Verdichtung anzunähern, werden Verdichter gekühlt. Luft kann bis zu Drücken von etwa 15 bis 20 bar noch als ideales Gas aufgefasst werden; bei der isothermen Verdichtung idealer Gase muss genauso viel Energie in Form von Wärme abgeführt werden, wie Energie in Form von Verdichtungsarbeit zugeführt wird. Dies gilt angenähert auch beim realen Verdichterbetrieb.

Die Hersteller nennen für die rückgewinnbare Abwärme Werte von bis zu etwa 96 Prozent der zugeführten Verdichtungsarbeit. Die bei der Erzeugung von Druckluft abzuführende Wärme kann z.B. zum Heizen, zur Brauchwassererwärmung und für weitere Prozesszwecke genutzt werden. In der Regel ist dabei mit Kapitalrückflusszeiten von wenigen Jahren zu rechnen.

Verteilung

Bei der Fortleitung der Druckluft von der Erzeugung zum Verbraucher treten häufig nennenswerte Druckverluste auf. Diese können von zu geringen Leitungsquerschnitten, von den verbauten Rohrarmaturen oder von Umlenkungen hervorgerufen werden. Eine bedeutende Rolle spielen auch Leckageverluste. Deshalb sollte das gesamte Druckluft-Verteilsystem regelmäßig systematisch auf Leckagen hin überprüft werden.

Planung und Verwirklichung von Maßnahmen zur Erhöhung der Energieeffizienz

Um die Energieeffizienz zu steigern, bieten sich die folgenden Maßnahmen an:

  • Erfassung des Ist-Zustandes
  • Abschätzung von Potenzialen zur Effizienzsteigerung
  • Ausarbeitung von Einzelmaßnahmen und Erstellung einer Prioritätenliste
  • Verwirklichung der vorrangigen Maßnahmen
  • Überprüfung der umgesetzten Maßnahmen mithilfe eines Monitoringprozesses

Neben der Verbesserung der Energieeffizienz und der damit verbundenen Verringerung von Kosten bewirkt eine Optimierung, dass das Gesamtsystem kleiner als ursprünglich angenommen dimensioniert bzw. das Ausmaß einer Erweiterung begrenzt werden kann.

Optimierungsmöglichkeiten bei bestehenden Druckluftsystemen

Eine Optimierung bestehender Druckluftsysteme bietet sich insbesondere deshalb an, weil die Technik gegenüber früher erheblich fortentwickelt wurde. Ein weiterer Gesichtspunkt ist, dass sich in vielen Unternehmen die Druckluftsysteme vom ursprünglichen Auslegungsoptimum wegbewegt haben, weil bei Erweiterungen der Produktionsanlagen die Druckluftsysteme mitgewachsen sind, dabei jedoch ein ungeordnetes Wachstum stattfand.

Wichtig ist, sich einen umfassenden Überblick über die Kosten der Drucklufterzeugung und der Druckluftnutzung zu verschaffen. Technische Maßnahmen am Druckluftsystem sollten daher von einem kontinuierlichen Druckluft-Management mit dem Ziel einer ständigen Kostentransparenz begleitet werden.

Erfassung des Ist-Zustands

Für eine Systemanalyse sind zunächst die Anlagentechnik, die Fertigungshallen sowie die Rohrstränge aufzunehmen. Hierauf sind Messwerte für das jeweilige Druckniveau, ggf. auch Temperaturen, die Volumenströme und die Beschaffenheit der Druckluft (Feuchte, Ölgehalt und Stäube) u.a. an den wichtigsten Verbrauchsstellen zu ermitteln. Weiter ist die Leistungsaufnahme der einzelnen Verdichter über Last- und Leerlaufmessungen zu messen, um zu den Fertigungsprozessen passende Lastprofile erzeugen zu können.

Rohrleitungen und Kupplungen sind häufig undicht. Um die auftretenden Leckage-Raten zu ermitteln, sind Messungen bei Betriebsruhe (etwa an Wochenenden oder in Werksferien) durchzuführen; dabei kann das Absinken des Drucks und die Auswertung des Druckverlaufs Aufschluss geben. Die erforderlichen Druckmessungen lassen sich an ausgewählten Stellen des Netzes mit synchronisierten Druckaufnehmern durchführen. Um den Druckabfall sichtbar zu machen, werden in einem Schaubild die ermittelten Druckwerte über der Zeit aufgetragen.

Zur Ermittlung der Druckluftbeschaffenheit an den verschiedenen Abnahmestellen können Messgeräte zur Bestimmung des Feuchtegehalts eingesetzt werden. Schwieriger ist es, den Ölgehalt sowie den Gehalt an Stäuben festzu-stellen. Der Anfall von Korrosionsrückständen lässt sich z. B. in den für Wartungszwecke eingebauten Schaugläsern überprüfen.

Systemkosten

Die Energiekosten sind in den meisten Fällen der wichtigste Bestandteil der Kosten für die Druckluftbereitstellung; deshalb sollte die Verbesserung der Energieeffizienz im Mittelpunkt stehen. Dazu ist eine Ermittlung der Kostensituation sinnvoll – etwa über eine Lebenszykluskosten-Analyse.

Die spezifischen Kosten – angegeben in Euro-Cent pro Normalkubikmeter Druckluft – und der spezifische Energieeinsatz – angegeben z.B. in Kilowattstunden Strom pro Normalkubikmeter Druckluft – müssen nach der Höhe des bereitgestellten Drucks und der Druckluftbeschaffenheit differenziert werden. Druckluft für mechanische Fertigungsprozesse ist einfacher zu erzeugen als z. B. Druckluft für die Herstellung pharmazeutischer Produkte.

Bei der Ermittlung der Gesamtkosten ist zwischen Kapitalkosten, Energiekosten, Betriebsmittelkosten, Instandhaltungskosten, Entsorgungskosten, Stilllegungskosten und den Kosten bei Produktionsausfällen zu unterscheiden.

Die jährlichen Kapitalkosten ergeben sich aus den Anschaffungs- und Installationskosten sowie den Kosten für die Ersatzteilbevorratung. Die Energiekosten setzen sich aus den Stromkosten für die Verdichtung und Druckluftaufbereitung zusammen. Kann Wärme aus der Verdichterabwärme rückgewonnen werden, ist der Wert der genutzten Wärme von den Energiekosten abzuziehen. Betriebsmittelkosten sind z.B. die Kosten für Öl bei öleingespritzten Verdichtern.

Neben den Instandhaltungskosten sind gegebenenfalls auch die Bedienungskosten zu berücksichtigen. Entsorgungskosten fallen für die Entsorgung von Kondensat, ölverunreinigten Betriebsmitteln und Filtern an. Stilllegungskosten können aus den Stilllegungskosten vergleichbarer Anlagen ermittelt werden. Soweit die Druckluftversorgung wegen Störungen unterbrochen ist bzw. das Druckniveau zu gering ist oder die Druckluftbeschaffenheit nicht ausreicht, hat dies Rückwirkungen auf die Produktion. Fällt die Fertigung deswegen ganz aus, muss der Produktionsausfall monetär beziffert und in die Gesamtkosten einbezogen werden.

Druckniveau

Die Angaben von Drücken beziehen sich auf den Überdruck gegenüber dem Luftdruck. Wird das Druckluftnetz nicht beansprucht, bleibt die darin enthaltene Luft in Ruhe; sie steht dabei unter dem statischen Druck. Dieser statische Betriebsdruck kann z.B. am Manometer vor einem geschlossenen Ventil abgelesen werden. Wird Druckluft benötigt, fließt die Luft durch das Netz, wobei wegen den Strömungswiderständen und der dadurch verursachten Reibung ein Druckverlust entsteht; deshalb ist der dann gemessene Fließdruck niedriger als der statische Druck.

Techniken für die Druckluftanwendung wie z.B. Druckluftwerkzeuge sind für einen bestimmten Arbeitsdruck ausgelegt. Wird dieser unterschritten, verringert sich die Leistung des Druckluftwerkzeugs und damit die Produktivität.

Aluminiumfitting für ein Druckluftnetz.
Quelle: Boge
Aluminiumfitting für ein Druckluftnetz.

Anschlussstellen

Bei der Überprüfung von Stellen mit erhöhten Druckverlusten ist insbesondere auf die Anschlussstellen zu den Druckluftwerkzeugen bzw. die pneumatischen Aktoren zu achten. An den Anschlussstellen treten oft erhebliche Druckverluste auf, da diese oft bei Erweiterungen unsystematisch – d.h. ohne sorgfältig geplante Einbindung – dem Druckluftsystem hinzugefügt wurden.

So können ggf. auch zu viele – also unnötige – Kupplungen oder zu geringe Schlauchdurchmesser zu einem zu hohen Druckverlust führen. Zu lange Anschlussschläuche, die bei der Anwendung geschlungen werden, haben wegen den zusätzlichen Strömungsumlenkungen ebenfalls zu hohe Druckverluste. Auch sollten Übergänge von einem größeren zu einem kleineren Durchmesser vermieden werden.

Erfahrungsgemäß können ältere Schnellkupplungen durch eine ungünstige Luftführung am Absperrbereich Druckverluste von etwa 0,6 bis 1,3 bar aufweisen; moderne Schnellkupplungen sind hingegen strömungsgünstiger konstruiert; deren Druckverlust liegt bei rund 0,2 bar.

Unnötige Druckverluste müssen durch eine Druckerhöhung beim Verdichterbetrieb wettgemacht werden, die einen Mehrverbrauch von Strom zur Folge hat. Das erhöhte Druckniveau erfordert einen größeren Verdichter bzw. bei größeren Systemen einen zusätzlichen Verdichter. Weiter geht durch die höhere Belastung die Lebensdauer des Verdichters sowie der Luftaufbereitung zurück.

Effiziente Druckluftnutzung: Verteilung, Aufbereitung, Erzeugung

Druckluft im Standarddruckbereich von rund 6,3 bis 8 bar kostet rund 1,75 Cent pro Normkubikmeter, soweit die Anforderungen an die Beschaffenheit der Druckluft nicht sehr hoch sind; bei hohen Anforderungen muss mit mehr als 3 Cent je Normalkubikmeter gerechnet werden.

Betrachtet man den Weg der Druckluft von der Erzeugung über die Aufbereitung und Verteilung bis zur Nutzung, so ist zunächst die Drucklufterzeugungsanlage zu betrachten. Dabei steht der Verdichter und sein Antrieb im Vordergrund; ergänzend sind Kühl- und Schmiereinrichtungen, Öl- und Wasserabscheider, Ansaugluftfilter sowie Mess- und Regelvorrichtungen zu betrachten.

Kompressoren werden meist als Gesamtsystem auf einem Rahmen vormontiert, eingehaust sowie lärm- und schwingungsgedämpft geliefert. Meist befinden sich Verdichter und die Techniken zur Aufbereitung auf den erwünschten Öl-, Staub- und Feuchtegehalt in einem speziellen Kompressorenraum; dieser muss Vorkehrungen zur Luftzufuhr und zur Wärmeabfuhr aufweisen. In der Nähe sind Druckluftspeicher angeordnet.

Dimensionierung von Verdichtern

Eine optimale Druckluftversorgung beruht auf den folgenden Grundsätzen:

  • Anpassung der Drucklufterzeugung an den tatsächlichen Verbrauch
  • Abstimmung aller Systemkomponenten aufeinander im Rahmen einer Gesamtsystembetrachtung
  • Regelmäßige und gründliche Wartung

Der tatsächliche Verbrauch ergibt sich aus dem bei den Anwendungen erforderlichen Volumenstrom sowie aus den Verlusten infolge von Leckagen; auch ist auf das richtige Druckniveau zu achten, das sich aus dem für die Anwendungen nötigen Druck sowie aus den Druckverlusten in den Druckluftaufbereitungsanlagen, dem Speicher, den Rohrleitungen und den Abnahmestellen ergibt.

Leckagen können 5 bis 25 Prozent, in Ausnahmefällen bis zu 50 Prozent des Druckluftverbrauchs betragen. Als Faustwert gilt: Bei einem 1 bar höheren Druck strömen durch eine Leckage 12 Prozent mehr Luft. Der Verbrauch an den Abnahmestellen und die Auswirkungen von Leckagen hängen wesentlich vom Druckniveau ab.

Für die Auslegung sollte die mittelfristig benötigte Druckluftmenge und nicht die auf lange Sicht erwartbare bzw. abgeschätzte Druckluftmenge gewählt werden, um Überdimensionierungen zu vermeiden. Bei der Ermittlung der Druckluftmenge ist der mittlere Verbrauch vom Spitzenverbrauch zu unterscheiden; für die Auslegung ist die Spitzenlast entscheidend, soweit keine Speicher eingesetzt werden. Durch Speicher lässt sich die benötigte Verdichterleistung vermindern. Bei der Ermittlung der Spitzenlast sind die Gleichzeitigkeitsfaktoren beim Druckluftverbrauch der Abnahmestellen und die Speicherkapazität wesentlich.

Sind Erweiterungen geplant, ist zuvor zu prüfen, ob sich Leckageverluste vermindern lassen; daneben sollte untersucht werden, ob sich vorhandene Druckluftverbraucher durch andere Anwendungstechniken ersetzen lassen, z.B. Druckluftschrauber durch elektrisch angetriebene Schrauber.

Druckniveau als Auslegungsfaktor

Der Betriebsdruck beeinflusst die Produktivität, den Energiebedarf, die Verdichtergröße und wegen des vom Druck abhängigen Verschleißes auch die Instandhaltung und mögliche Produktionsausfälle. Bei zu niedrigem Druck sinkt die Produktivität. Ein zu hoher Druck führt neben der gewünschten möglichen Produktivitätssteigerung zu ungewollten negativen Effekten, z.B. zur Verschleißsteigerung und zu einem höheren Druckluftverbrauch. Maschinen und Anlagen sollten daher möglichst im Auslegungspunkt betrieben werden.

Sinnvolle Einzellösungen zum Gesamtsystem zusammenfügen

Die Gesamtanlage – und nicht nur die einzelnen technischen Lösungen – sollte optimiert werden: Denn die Auswirkungen von Drucksteigerungen bzw. -absenkungen wirken sich auf die Gesamtanlage aus. Eine Senkung des Erzeugungsdrucks um 1 bar führt zu einer Abnahme der Energiekosten um rund 9 Prozent. Wird der Druck um 0,5 bar verringert, geht die Leckagemenge um ca. 6 Prozent zurück.

Häufig genutzte Werkzeuge sollten mit dem optimalen Druck betrieben werden, um keine Einbußen in der Produktivität in Kauf nehmen zu müssen. Werden Werkzeuge jedoch nur in geringem Umfang eingesetzt, kann ein Betrieb unterhalb ihres Auslegungsdruckes sinnvoll sein, wenn dieser Druck der optimale Druck für die anderen Nutzer ist.

Falls der größte Teil der Nutzer mit ­einem niedrigeren Druck auskommt, kann die Gesamtanlage mit dem niedrigeren Druck betrieben werden; dezentrale Druckerhöhungsanlagen können an solchen Arbeitsplätzen betrieben werden, an denen kurzzeitig ein höherer Druck nötig ist.

Druckluftverteilung

Das Druckluftnetz (auch als Druckluftverteilung bezeichnet) hat die Aufgabe, die Druckluft bei nur begrenztem Druckabfall ohne Beeinträchtigung der Druckluftbeschaffenheit den Verbrauchern zur Verfügung zu stellen. Ein Druckluftnetz lässt sich wie folgt untergliedern:

  • Hauptleitung(en)
  • Verteilerleitungen
  • Anschlussleitungen
  • Anschlüsse
  • Zentrale und dezentrale Speicher

Druckluftleitungen sind langlebig; deshalb sollten hochwertige Leitungen verwendet werden. Sind Druckluftnetze im Laufe der Jahre ohne eine Gesamtplanung erweitert worden, müssen durch die bestehenden Querschnitte erhöhte Luftmengen strömen; dabei nimmt der Druckabfall deutlich zu. In solchen Fällen kann eine Sanierung zu deutlichen Effizienzverbesserungen führen. Dabei sind die folgenden Maßnahmen sinnvoll:

  • Messung der Luftbeschaffenheit
  • Messung von Leckage-Raten
  • Ermittlung von Druckabfällen

Auf die Beschaffenheit der Druckluft hat nicht nur die Art der Druckluftaufbereitung einen Einfluss, sondern auch die Korrosion, die bei einfachen Stahlleitungen im Leitungsnetz auftreten kann; bei Leitungen aus Edelstahl oder Kunststoff tritt Korrosion nicht auf. Weitere Fremdstoffe im Leitungsnetz können u.a. Ölkohleablagerungen, auskondensiertes Wasser oder Zinkgeriesel sein.

In der Regel sind die Leckagen in den Rohren vergleichsweise gering; die größten Leckagen treten oft an den Kuppelstellen zu den Anwendungen und bei den Anwendungen selbst auf. Kurzzeitmessungen bei Betriebsruhe – etwa mithilfe von Lastmessungen an den Verdichtern – oder Langzeitmessungen vor den Abnahmestellen in der Fertigung dienen dazu, Leckagemengen im Rohrnetz festzustellen; dabei werden die Zugänge zu den Verbrauchern abgesperrt.

Inzwischen bieten Hersteller von Druckluft-Anwendungstechniken ein "intelligentes Energieeffizienz-Modul" an, das die Druckluftversorgung in Neu- und in Bestandsanlagen vollautomatisch überwacht und regelt. Im Stand-by-Betrieb sperrt es aktiv ab, erkennt und meldet eine Leckage und verfügt über ein Online-Monitoring prozessrelevanter Daten. Damit kann der Druckluftverbrauch reduziert werden. Bei gesperrter Zuluft fungiert der Druckabfall als Bewertungskriterium für die Leckage der nachgeschalteten pneumatischen Anlage.

Neben dem Durchmesser der Rohrleitung spielen auch Ventile und andere strömungshemmende Einbauten beim Druckverlust eine Rolle. Ältere Druckluftsysteme haben – gemessen am heutigen höheren Durchsatz – zu enge Leitungsquerschnitte und dadurch zu hohe Druckverluste.

Eine Dokumentation des Leitungsnetzes kann helfen, dessen Zustand beurteilen zu können. Dazu gehören die Erfassung der Streckenabschnitte sowie der wichtigsten Armaturen, Einbauten und Nutzer der Druckluft, Messwerte für Druckverluste, Leckagemengen und Luftbeschaffenheiten sowie die Überdrücke an den Arbeitsplatzanschlüssen.

Die Hauptleitung führt vom Verdichter zum Verteilernetz. Bei der Dimensionierung des Rohrleitungsdurchmessers sind Reserven für künftige Erweiterungen des Gesamtsystems einzuplanen. Die Druckluft in einem Verbrauchsabschnitt wird über die Verteilerleitungen geleitet, die als Ringleitungen, als Stichleitungen oder als Ringleitungen mit einzelnen abgehenden Stichleitungen konzipiert sind. Um auskondensiertes Wasser aus den Leitungen entfernen zu können, sind Kondensatableiter einzuplanen, wobei ein leichtes Gefälle zu den Kondensatableitern hin notwendig ist.

Zwischen den Verteilerleitungen und den jeweiligen Arbeitsplätzen bzw. den Anlagen-Zapfstellen sind die Anschlussleitungen angeordnet. Eine Anschlussleitung an die Verteilerleitung ist als "Schwanenhals" – also nach oben abgehend – auszuführen; damit kann vermieden werden, dass mit der Druckluft auch kondensiertes Wasser mitgerissen wird.

Die Druckverluste sollten für jeden Leitungsabschnitt getrennt erfasst werden. Als Anhaltswerte bei effizient dimensionierten Druckluftnetzen können gelten:

  • 0,03 bar in der Hauptleitung
  • 0,03 bar in den Verteilerleitungen
  • 0,04 bar in den Anschlussleitungen
  • 0,3 bar beim Anschlusszubehör

Druckluftspeicher

Druckluftspeicher können zentral in Verdichternähe oder dezentral in Verbrauchernähe angeordnet werden. Ihre Funktion besteht in der Speicherung und – bei Bedarf – in der rasch abrufbaren Bereitstellung von Druckluft. Sie sollten eher größer als kleiner ausgelegt werden. Zwischen dem Druckmesspunkt (Sollwert) der Steuerung und dem Ort der Druckluftspeicherung sollte der Druckverlust in der Regel nicht größer als 0,1 bar sein.

Mithilfe von Druckluftspeichern kann die notwendige Spitzenleistung von Verdichtern vermindert werden; auf diese Weise lässt sich die Drucklufterzeugung kleiner auslegen. Ein zentraler Druckluftbehälter hat auch die Aufgabe, die Schalthäufigkeit von Verdichtern zu vermindern, soweit diese nicht drehzahlgeregelt betrieben werden können. Weiter kann ein solcher Speicher zur Vergleichsmäßigung dienen, d.h. zu große Druckschwankungen im Druckluftsystem verhindern.

Dezentrale Speicher sollen bei kurzzeitig hohem Druckluftverbrauch einzelner Verbraucher die entsprechenden Mengen bereitstellen, ohne dass das Gesamtsystem unnötig beansprucht wird. Damit wird eine schlagartige Absenkung des Drucks verhindert. Dezentrale Druckluftspeicher sind gemäß den Anforderungen der betreffenden dezentralen Verbraucher zu dimensionieren. Weiter können sie eine Reservefunktion im Netz übernehmen.

Druckluftaufbereitung

Aufgaben der Druckluftaufbereitung

Um die Produktqualität zu sichern, die Verschmutzung von Anlagen und Werkzeugen zu verhindern und die Arbeitsplatzsicherheit zu gewährleisten, muss die verdichtete Luft aufbereitet werden. Stoffe, die abgetrennt werden müssen, sind Feuchtigkeit (flüssiges Wasser), Öl, Staub, Keime, Salzkristalle sowie bestimmte Luftschadstoffe.

Die vom Verdichter aus der Umgebung angesaugte Luft enthält Wasserdampf, wobei die Luft in unseren Breiten meist nicht mit Wasserdampf gesättigt ist. Verdichtete Luft kann wegen ihres geringeren Volumens im Vergleich zur unverdichteten Luft weniger Wasserdampf aufnehmen; deshalb kondensiert ein Teil des Wasserdampfs und fällt als Flüssigkeit aus.

Da das Wasser Schadstoffe und Stäube aufzunehmen und zu binden vermag, kann das Wasser eine aggressive Wirkung entwickeln. Öl wird in öleingespritzten Verdichtern zur Abdichtung, Schmierung und insbesondere auch zur Kühlung der Luft beim Verdichtungsvorgang verwendet; im industriellen Umfeld kann es aber auch in der angesaugten Umgebungsluft enthalten sein. Auch Stäube und Schadstoffe können sich in der angesaugten Luft befinden; bezogen auf das verdichtete Volumen ist die Konzentration dieser Stoffe nach der Verdichtung höher als vor der Verdichtung.

Die Anforderungen an die Druckluftbeschaffenheit hängen vom jeweiligen Verbraucher ab. Weil mit der Druckluftaufbereitung ein entsprechender Energieaufwand verbunden ist und zudem ein Druckabfall in Kauf genommen werden muss, sollte eine unnötig hohe Druckluftaufbereitung vermieden werden. Soweit einzelne Verbraucher im Vergleich zu den meisten anderen Verbrauchern eine aufwendigere Druckluftaufbereitung benötigen, sollte für diese Verbraucher eine zusätzliche Aufbereitung am Ort der Anwendung vorgesehen werden.

Flüssigkeitsabscheidung

Bei öleingespritzten Verdichtern übernimmt das Öl eine Kühlfunktion; deshalb ist die Drucklufttemperatur mit etwa 70 bis 80 °C niedriger als bei ölfreien Verdichtern. In beiden Fällen erfolgt in einem ersten Schritt vor dem Austritt der Druckluft aus dem Verdichter im Nachkühler eine Abkühlung bis auf leicht erhöhte Raumtemperatur. Dabei kondensiert ein Teil der Feuchte in der Druckluft, die neben dem bereits vorher angefallenen Wasserkondensat abgeschieden wird. Darauf folgt ein weiterer Schritt im Verdichtergehäuse zur Abscheidung von zusätzlichem Kondensat in der Druckluft mithilfe eines Zyklonabscheiders oder eines Druckbehälters.

Im Zyklonabscheider wird die Druckluft in eine Drehströmung versetzt, wobei Wassertröpfchen durch ihre Massenträgheit abgetrennt werden. Bei einem Druckluftbehälter werden Wassertröpfchen durch eine größere Verweildauer zur Abscheidung gebracht. Die Druckluft weist nun einen mit Wasserdampf gesättigten Zustand bei annähernd Umgebungstemperatur auf.

In diesem Zustand kann die Druckluft noch nicht in das Leitungssystem eingespeist werden, da bei einer weiteren Abkühlung in den Rohrleitungen Wasser in flüssiger Form abgeschieden werden würde. Deshalb muss der Druckluft in einem weiteren Schritt zusätzliche Feuchte entzogen werden; dafür wird entweder eine kleine Kältemaschine, ein Adsorptionstrockner oder ein Absorptionstrockner eingesetzt.

Entwässerung des Druckluftsystems

Die Feuchte, die bei der Verdichtung, der Vorabscheidung sowie der Trocknung als flüssiges Wasser ausfällt, ist ­stetig aus dem Druckluftsystem abzuführen, weil sonst Korrosionsschäden im Leitungsnetz sowie bei den Anwendungstechniken der Druckluft entstehen. Hierzu dienen automatische Kondensatabscheider. Als Bauarten werden Schwimmerkondensatableiter, zeitgesteuerte Ventile und niveaugeregelte Ab­leiter eingesetzt. Niveaugeregelte Kon­densatableiter weisen die geringsten Druckverluste auf und sind damit energieeffiziente Bauteile.

Kondensat: Aufbereitung oder sachgerechte Entsorgung

Das Kondensat aus Druckluftanlagen besteht nicht nur aus kondensierter Feuchte – also flüssigem Wasser –, sondern enthält auch Luftschadstoffe sowie Öl aus den Druckluftverdichtern. Damit ist das Kondensat ein besonders überwachungsbedürftiger Abfall. Der Gesetzgeber lässt für die Weiterbehandlung der Kondensate zwei Wege offen: entweder die sachgerechte Entsorgung durch Fachfirmen oder eine Aufbereitung vor Ort mit einer geeigneten und zugelassenen Technik zur Kondensataufbereitung.

Ein Druckluftverdichter von innen.
Quelle: Boge
Druckluftverdichter von innen.

Kondensate stellen entweder ein disperses Öl-Wasser-Gemisch oder eine Emulsion dar. In einer Dispersion ist das Öl in Tröpfchenform im Wasser verteilt, wobei eine mechanische Trennung genügt. Bei einer Emulsion liegen die ­Öltröpfchen in noch feinerer, stabiler Form vor; deshalb sind in der Regel für eine Trennung weitere Stoffe oder bio­lo­gische bzw. chemische Prozesse er­forderlich. In der Praxis werden die folgenden drei Verfahren angewandt: statische Öl-Wasser-Trennsysteme; Emulsions-Spaltanlagen mithilfe von Adsorption; Ultrafilterung.

Beim statischen Öl-Wasser-Trennsystem können aufgrund einer festgelegten Verweilzeit die leichteren Ölbestandteile nach oben steigen und sich als Schicht über dem schwereren Wasser sammeln. Bei Emulsions-Spaltanlagen auf Adsorptionsbasis wird dem vorgereinigten Kondensat ein Trennmittel auf Aluminiumoxid-Basis (Tonerde) hinzugefügt, das die Öl-Wasser-Bindung aufbricht und somit die Emulsion spaltet. Die Öle und weitere unerwünschte Stoffe werden von der Tonerde adsorbiert.

Ein Öl-Wasser-Trenner.
Quelle: Kaeser
Öl-Wasser-Trenner.

Das auf diese Weise gereinigte Wasser wird ins Abwassersystem geleitet; der entstandene Reststoff wird entsorgt. Bei der Ultrafiltration wird das ölhaltige Kondensat unter Druck gesetzt und durch eine Membran gepresst. Dadurch werden die Ölbestandteile zurückgehalten und aufkonzentriert; das gereinigte Wasser kann ins Abwassersystem geleitet werden.

Komponenten einer Druckluftanlage.
Quelle: Kaeser
Druckluftanlage mit Schraubenverdichter, Druckbehälter, Kältetrockner, Filter, Öl-Wasser-Trenner und Anfahrvorrichtung.

Montag, 03.09.2018

Von Martin Dehli
Hochschule Esslingen