Drucklufttechnik ist heute wirtschaftlich wie nie
Von Trixy Schmidt, freie Fachjournalistin für die Deprag Schulz GmbH u. Co.
Drucklufttechnik leistet unverzichtbare Dienste und ist heutzutage aus Industrie und Technik nicht mehr wegzudenken. So werden die weit verbreiteten PET-Flaschen mit Druckluft aufgeblasen und in Kläranlagen hilft Druckluft, das Wasser aufzubereiten. Doch die Wirtschaftlichkeit und Energieeffizienz von Druckluft als Arbeitsfluid steht häufig in der Kritik „In der Vergangenheit stand vor allem der Effekt im Vordergrund“, räumt Drucklufttechnikexperte Prof. Dr.-Ing. A. P. Weiß von der Hochschule für angewandte Wissenschaften Amberg-Weiden ein, „nicht das Verhältnis von Aufwand und Nutzen.“ Klimaschutz und Energiewende erfordern jedoch ein Umdenken: „Der Fokus richtet sich jetzt auf die Effizienz.“
Wissenschaft und Industrie beschreiten dabei längst neue Wege, bewährte Technik geht Hand in Hand mit Innovation. Das gemeinsame Ziel ist klar umrissen: die Energieeffizienz von Druckluft fortlaufend verbessern und die Drucklufttechnik zukunftsfähig machen. Prof. Weiß ist überzeugt: „Nutzt man das gesamte Potenzial, so ist die Druckluft im Betrieb zukünftig eine rationelle Energieanwendung, die – richtig eingesetzt – keinen Vergleich zu scheuen braucht.“
Forschung mit Maschinenbau-Kooperation
Eine Studie der Europäischen Union zeigt, dass 18 % der elektrischen Energie in der Industrie für die Erzeugung von Druckluft als Arbeitsfluid verbraucht wird. Ein Drittel dieser Elektrizität, so die Studie, ließe sich durch geeignete Technik und effizientere Anlagen einsparen.
Dazu braucht es kompetente Fachkräfte. An der HAW Amberg-Weiden wurde Drucklufttechnik bereits im Jahr 2000 in das Lehr- und Forschungsangebot aufgenommen und ein Prüfstand für Drucklufttechnik und pneumatische Antriebe aufgebaut. Seit dieser Zeit arbeitet die Hochschule eng mit der Industrie zusammen.
Die Hochschule Amberg-Weiden ist eine der jungen, aufstrebenden Hochschulen in Bayern. Ihre 82 Professorinnen und Professoren widmen sich mit ihren rund 3200 StudentInnen seit nunmehr 19 Jahren erfolgreich Zukunftsthemen wie z.B. „Erneuerbare Energien“, „Energieeffizienz“ und „Rationelle Energieanwendung“. Da ist es praktisch ein Muss sich in Lehre und angewandter Forschung mit energieffizienter Drucklufttechnik auseinanderzusetzen. Neben dem Angebot einschlägiger Vorlesungen haben die Studierenden die Möglichkeit in den Laboren mit Drucklufttechnik zu arbeiten, z.B. Kompressoren und Werkzeuge zu testen. Diesen Service bietet die Hochschule auch Industriepartnern an. Studierende unterstützen Industriebetriebe bei der energetischen Optimierung ihrer Druckluftanlagen im Rahmen von Projekten, Praktika und Abschlussarbeiten, natürlich stets begleitet und betreut durch eine(n) Professor(in). Das weit überdurchschnittliche Engagement der jungen Hochschule bleibt nicht unbeachtet – ab Herbst 2013 darf sie sich zusammen mit der Hochschule Regensburg „Technische Hochschule“ nennen.
Hochschule für angewandte Wissenschaften Amberg-Weiden, Tel. 09621-482-0, Fax: 09621-482-4991, Kaiser-Wilhelm-Ring 23, 92224 Amberg, amberg@haw-aw.de bzw. Hetzenrichter Weg 15, 92637 Weiden, weiden@haw-aw.de, www.haw-aw.de
Der ortsansässige Maschinenbauer DEPRAG wurde der kongeniale Partner für die Entwicklung innovativer Druckluftwerkzeuge. Die Entwicklung von schnelllaufenden Turbinen für Druckluft, CO₂, Erdgas, Wasserdampf und andere Dämpfe sowie die Konzeption dazu notwendiger Generatoren mündete z.B. in das Green-Energy-Turbinensystem der DEPRAG – eine Technik, mit der geringe Restmengen von Prozessgas profitabel verstromt werden können.
Die DEPRAG SCHULZ GMBH u. CO. beschäftigt sich seit Jahrzehnten mit Druckluft als Arbeitsfluid. DEPRAG-Druckluftmotoren und -Druckluftwerkzeuge sind weltweit auf dem Markt etabliert. Innovation und stetige Verbesserung bestehender Produktlinien machen den mittelständischen Maschinenbauer aus Amberg, der mit etwa 600 Mitarbeitern in 50 Ländern präsent ist, zu einem der führenden Hersteller. Darüber hinaus befasst sich der Sektor Green Energy mit der Entwicklung einer innovativen Gasexpansionsturbine (GET/Green Energy Turbine), die auch kleine Restmengen von Prozessgas wirtschaftlich nutzbar macht.
DEPRAG SCHULZ GMBH u. CO., Carl-Schulz-Platz 1, 92224 AmbergTel. 09621-371-0, Fax: 09621-371-199, info@deprag.de, www.deprag.com
Im Vergleich zu elektrischen Antrieben zeichnen sich Druckluftmotoren und druckluftbetriebene Werkzeuge durch ihre hohe Leistungsdichte, eine kurzzeitige schlagartige Leistungsfreisetzung (Hammer), Schnelligkeit (Zylinder), Überlastbarkeit und Anfahrbarkeit gegen Last, beliebig häufige An- und Abschaltvorgänge sowie Robustheit und Unempfindlichkeit gegen Feuchtigkeit und Schmutz aus.
Dazu kommt der Ex-Schutz der Druckluftantriebe: In explosionsgefährdeter Umgebung, in der schon ein einzelner Funke eine große Gefahr darstellt, sind Elektrowerkzeuge nur bedingt einsetzbar, Druckluftwerkzeuge dagegen ohne Vorbehalt. Die Konstruktions- und Wirkungsweise des Druckluftmotors schließt eine Überhitzung aus, elektrische Anschlüsse entfallen.
Effizienzrechnung am Pneumatikmotor
Kritiker bemängeln jedoch die Wirtschaftlichkeit der Drucklufttechnik. Je nach Bauart nutzt der Druckluftmotor die Expansionsarbeit der Druckluft nicht optimal aus, als Folge wird mehr komprimierte Luft verbraucht als unbedingt nötig. Der Verbrauch an Energie für den elektrischen Kompressor sei demnach höher, als wenn der Strom direkt für ein elektrisches Werkzeug genutzt würde, argumentieren sie.
Dagmar Dübbelde, die DEPRAG-Produktmanagerin für Druckluftmotoren kontert: „Druckluftmotoren und Elektromotoren lassen sich nicht eins zu eins vergleichen. Die Anwendung ist es, die die Antriebslösung bestimmt.“ Sie verdeutlicht das anhand eines Beispiels: „Ein Motor soll in einer Verpackungsmaschine eine Drehzahl von 450 Umdrehungen pro Minute erzielen. Zum Verschluss eines Packbandes steht über einen längeren Zeitraum ein Drehmoment von 25 Nm mit reduzierter Drehzahl an. Elektromotoren können nicht über einen längeren Zeitraum überlastet werden. Das würde zu einer unzulässigen Überhitzung führen. Deshalb wird ein Elektromotor für diese Verpackungsmaschine auf das Lastdrehmoment ausgelegt und würde eine Leistung von 1170 W benötigen (25 Nm × 450/min ÷ 9550).“
Ganz anders sieht die Rechnung beim Druckluftmotor aus. Dagmar Dübbelde: „Beide Anforderungen der Verpackungsmaschine können durch den günstigen Drehmomentverlauf von Druckluftmotoren mit einem kleineren Motor realisiert werden. Hier würde man einen Druckluftmotor mit einem Nenndrehmoment von 15 Nm bei einer Nenndrehzahl von 275 Umdrehungen pro Minute auswählen. Da das Arbeitsdrehmoment unter dem Nenndrehmoment liegt, dreht der Motor unter geringer Last nahe der Leerlaufdrehzahl mit 450 Umdrehungen pro Minute. Die benötigte Leistung des Druckluftmotors beträgt damit nur 430 W.“ Dagmar Dübbelde schließt: „Wenn beim Druckluftmotor für diese Verpackungsmaschine nur ein Drittel der Leistung eines Elektromotors installiert werden muss, erscheint die Energiebilanz des Druckluftmotors gleich in einem ganz anderen Licht.“
Druckluftmotoren arbeiten nahe der Nenndrehzahl am effektivsten. Dagmar Dübbelde rät daher allen Anwendern: „Die Pneumatikmotoren müssen für ihre Anwendung sorgfältig ausgelegt werden, das spart elektrische Energie und Betriebskosten.“ Ganz einfache konventionelle Maßnahmen erhöhen dabei bereits die Wirtschaftlichkeit. „Die vom Hersteller empfohlenen Schlauchweiten“, betont die Expertin, „müssen unbedingt eingehalten werden. Jede Engstelle wirkt als Drossel und reduziert die Leistung des Pneumatikmotors.“
Leistung intelligenter Kompressoren
Auch die Hersteller der für die Druckluftstationen benötigten Kompressoren leisten ihren Beitrag, den Energieverbrauch der Drucklufterzeugung flächendeckend um 30 % zu senken. So bietet die Kaeser Kompressoren AG als Marktführer für Anwender ein PC-gestütztes Druckluft-Audit an, das für neue, aber auch für bestehende Anlagen den tatsächlichen Luftbedarf akkurat ermittelt. Dipl.-Ing.(FH) Erwin Ruppelt erklärt: „Je mehr Transparenz über Kosten und Einsparpotenziale bei der Druckluftversorgung besteht, desto näher kommen alle Beteiligten dem Ziel, den Energieverbrauch der Drucklufterzeugung um ein Drittel zu drosseln – zum Vorteil der Unternehmensbilanzen und der Umwelt.“
Bei der Bestandsaufnahme werden Einsparpotenziale entdeckt und die Druckluftstation auf höchste Zuverlässigkeit und Energieeffizienz ausgelegt sowie für die Zukunft optimiert. Moderne kompressorinterne Steuerungen kommunizieren mit Industrie-PCs, ermöglichen eine präzise Datenerfassung und -auswertung und bilden die Basis für ein komplexes Systemmanagement, das auch bei bereits bestehenden Stationen den Energieverbrauch deutlich senken kann.
Die Kaeser Kompressoren AG ist einer der weltweit führenden Hersteller und Anbieter von Produkten und Dienstleistungen rund um das Thema Druckluft. Das Leistungsspektrum umfasst Drucklufterzeugung, Druckluftaufbereitung sowie Druckluftverteilung. Im Vordergrund stehen dabei immer Zuverlässigkeit, Energieeffizienz und Wirtschaftlichkeit. Das Lieferprogramm umfasst stationäre Schrauben- und Kolbenkompressoren, außerdem straßenfahrbare Baukompressoren und Dentalkompressoren. Hinzu kommen Druckluftmanagementsysteme, Vakuumpumpen, Drehkolbengebläse, Filter, Trockner, Druckluftwerkzeug und -zubehör sowie Dienstleistungen wie Beratung, Planung, Druckluftbedarfsanalysen und Contracting. Der Druckluftspezialist ist in über 100 Ländern durch eigene Niederlassungen oder exklusive Vertragspartner vertreten und beschäftigt über 400 Mitarbeiter.
Kaeser Kompressoren AG, Carl-Kaeser-Str. 26, 96450 Coburg, Tel. 09561-640-0, Fax. 09561-640-130, info@kaeser.com, www.kaeser.de
Hocheffektive Wärmerückgewinnung
Aber Drucklufttechnik kann noch mehr: „Mit Wärmerückgewinnung“, sagt Ruppelt, „lässt sich weitere wertvolle Energie einsparen. 100 % der in einem Kompressor zugeführten Antriebsenergie werden in Wärme umgewandelt. Immerhin bis zu 96 % dieser Energie lassen sich ein ,zweites Mal‘ verwenden – etwa zu Heizzwecken oder als Prozesswärme!“
Durch gezielte Nutzung der Kompressorabwärme könne daher nicht nur der Elektroenergieverbrauch, sondern auch der Heizenergiebedarf eines Betriebes spürbar verringert werden.
Welche Effizienzsteigerungen mit gezielter Wärmerückgewinnung bei Schraubenkompressoren möglich sind, zeigt das Beispiel eines Mühlenbetriebs. Der Vergleich der Jahre 2007, als noch ohne Nutzung der Kompressorabwärme gearbeitet wurde, und 2011 spricht am Ende eine sehr deutliche Sprache: Bei der Gasheizung konnten insgesamt 552.000 kWh eingespart werden; das entspricht 36 % der gesamten Heizkosten des Betriebs. Im Jahresdurchschnitt ist es gelungen, 52 % der Kompressorleistungsaufnahme für Heizzwecke gewissermaßen „ein zweites Mal“ zu nutzen; der Spitzenwert der Messung betrug 71 %.
Energieeffizienter Turbinenantrieb
Innovative Entwicklungen in der Drucklufttechnik versprechen ebenfalls eine Senkung der Energiekosten, z.B. der pneumatische Turbinenantrieb. Statt des herkömmlichen Lamellenmotors nutzt dabei eine Turbine die Expansionsarbeit der Druckluft. Diese verwertet das Arbeitsfluid weit effizienter, der Luftbedarf der Maschine nimmt um ein Drittel ab. Dazu punktet der Turbinenantrieb mit einem unübertroffenen Leistungsgewicht (Kilogramm/Kilowatt): Es ist nur halb so groß wie beim Lamellenmotor.
DEPRAG-Produktmanagerin Dübbelde erklärt: „Durch den Austausch eines faustgroßen Lamellenmotors gegen einen Turbinenantrieb gleicher Größe kann ich die Motorleistung mit einem Schlag verdoppeln.“ Die Turbine benötigt darüber hinaus keine Schmierstoffe, Verschleißteile gibt es nicht. Auch das spricht für die Wirtschaftlichkeit einer Turbine.
Fazit: Ausbau als Energiespeicher
Prof. Weiß von der Hochschule Amberg-Weiden fasst zusammen: „Druckluft ist heute effizienter als je zuvor. Bezieht man die Wärmerückgewinnung mit ein, gibt es für einen Betrieb nichts Wirtschaftlicheres.“ Für die Zukunft sieht er noch großes Potenzial: „Druckluftsysteme könnten zukünftig verstärkt Anwendung bei der dezentralen Speicherung überschüssiger erneuerbarer Energie finden. Mit vorhandenen Kaeser-Kompressoren und dem innovativen GET-Turbinengenerator der DEPRAG könnte die CAES (Compressed Air Energy Storage) benannte Kurzzeitspeicherung von Wind- oder Sonnenenergie auch im kleinen kW-Bereich ein neues Anwendungsgebiet der Drucklufttechnik darstellen.“
