Kosten sparen beim Verdichten

Folgekosten sind in erster Linie der Kapitaldienst sowie Servicekosten, aber auch Energiekosten für Last- und Leerlauf. Der Kapitaldienst ist unabhängig vom Verdichtersystem und nur abhängig von den Anschaffungskosten. Er kann bis zu 25 % der Gesamt-Folgekosten ausmachen. Service- und Energiekosten aber sind die Faktoren, an denen der Betreiber am wirksamsten sparen kann. Diese wollen wir nun vorrangig untersuchen, um Einsparungspotentiale zu ermitteln.

Bevor auf die laufenden Kosten eingegangen wird, sollte eine weitere, einmalige Einsparungsmöglichkeit nicht außer acht gelassen werden. Der Betreiber plant vor der Anschaffung den Aufstellungsplatz seiner Druckluftstation. Zu einer kompletten Druckluftstation gehört nicht allein der Kompressor, sondern in den meisten Fällen auch noch ein Druckluftbehälter, ein Trockner, eine Filterkombination und eventuell auch noch ein zweiter Kompressor. Diese Komponenten gilt es einzeln aufzustellen, zu verrohren und auch noch elektrisch anzuschließen. Kompressor, Druckluftbehälter und Trockner benötigen alle auch noch zusätzlich ihren eigenen Aufstellungsplatz (siehe Abb. 1).

Da gilt es die ersten Kosten zu sparen.

• Kompressoren und Trockner werden auf einem gemeinsam, liegenden Druckluftbehälter aufgebaut und komplett verrohrt (Abb. 2) oder

• beide Kompressoren sind auf dem gemeinsamen Behälter montiert (Abb. 3) und der Trockner ist an einer Wand befestigt. Dann benötigt er sogar nicht einmal eine Aufstellungsfläche.

Neben dem Vorteil der geringen Gesamtfläche spart man Material- und Lohnkosten für die Leitungsverlegung zwischen den einzelnen Komponenten.

Die platzsparende Installation der einzelnen Komponenten auf einem Behälter läßt sich natürlich nur bei Anlagen bis ca. 22 kW verwirklichen. Bei größeren Systemen ist das Verhältnis von Kompressor bzw. Trockner zum Behälter unnatürlich groß. Die kleinen Behälter mit den großen Maschinen wirken instabil.

Um eine kleine Gesamtfläche – bestehend aus Grundfläche und Wartungsfläche – bei Einzelinstallation zu erreichen, stellt man den Kompressor in die Ecke eines Raumes (Abb. 4) oder direkt an die Wand. Das setzt voraus, daß der Kompressor bei Servicearbeiten nicht rundum begehbar sein muß.

Obwohl die Servicekosten mit rund 3 % den geringsten Anteil an den Gesamt-Folgekosten ausmachen, kann auch hier der Rotstift angesetzt werden. Bereits bei der Beschaffung ist darauf zu achten, daß der Kompressor betriebssicher mit hoher Verfügbarkeit arbeitet und außerdem natürlich auch Druckluft erzeugen muß. Dabei ist ein wesentlicher Aspekt die hohe Wartungsfreundlichkeit des Kompressors.

• Es ist ideal, wenn alle Service- und Wartungsarbeiten schnell, problemlos und kostengünstig von vorn durchzuführen sind. Der Austausch von Verschleißteilen muß ohne unnötige Demontage von Bauteilen oder Baugruppen möglich sein.

• Der Austausch kompletter, gängiger Servicekits ist schnell und dadurch kostengünstig durchzuführen. Die Verfügbarkeit des Kompressors steigt, Ausfallzeiten bei der Produktion werden minimiert. Die Fehlersuche einzelner Kleinteile ist dagegen zeitaufwendig.

Vor dem Kauf des Kompressors wurden sicherlich Vergleiche und Berechnungen angestellt, die Auskunft gaben über die Wirtschaftlichkeit. Man stellte fest, wieviel kW benötigt werden, um einen Kubikmeter Druckluft zu erzeugen. Das ist auch in Ordnung, denn immerhin sprechen wir hier von über 70 % der Folgekosten. Aber benötigt der Kompressor nicht noch weitere Energie?

• Der Kolbenkompressor läuft nur dann, wenn Druckluft verlangt wird. Er arbeitet im Aussetzbetrieb (Start-Stopp-Betrieb) und benötigt deshalb keine weitere Energie.

• Der Schraubenkompressor schaltet nach Erreichen des Höchstdruckes im Gegensatz zum Kolbenkompressor nicht aus, sondern arbeitet im Leerlauf weiter. Während des Leerlaufs benötigt die Gesamtanlage – nicht die Verdichterstufe – ca. 30 % der Energie des Lastlaufs, ohne auch nur einen Liter Druckluft zu erzeugen.

Diese Leerlaufkosten gilt es zu sparen. Dazu muß man die Betriebsweise des Schraubenkompressors genau unter die Lupe nehmen. Ein Schraubenkompressor arbeitet dann wirtschaftlich, wenn er ständig im Lastlauf fährt, z. B. als Grundlastmaschine oder bei gleichmäßigem Druckluftbedarf.

Ist der Lastlaufbetrieb nicht möglich, dann muß der Kompressorenhersteller seine Steuerung so optimieren, daß die Leerlaufzeiten minimiert werden und der Kompressor immer den kostengünstigen Aussetzbetrieb anstrebt.

• Bei dem intelligenten Steuerungs- und Überwachungskonzept ARS (Autotronic, Ratiotronic, Supertronic) des Kompressorenherstellers Boge beispielsweise, ermittelt ein Microcontroller dynamisch den Verbrauchstrend aus dem aktuellen Betriebszustand und einem programmierten Idealwert (Abb. 5). ARS steuert immer den kostengünstigen Aussetzbetrieb (Start-Stopp-Betrieb) an. Dabei bestimmen die maximal zulässigen Motorschaltspiele die Betriebsart des Kompressors.

Allein durch intelligente Steuerungen, so Boge, sei es möglich, bei einem Schraubenkompressor mit einer Antriebsleistung von 30 kW und einer Laufzeit von 8000 Betriebsstunden im Jahr Kosten von mehr als 10 000 Mark einzusparen.

Da beim Kolbenkompressor eine kostengünstigere Betriebsart als der Aussetzbetrieb nicht möglich ist, lassen sich beim Betrieb auch keine weiteren Kosten einsparen. Anders beim Schraubenkompressor. Durch den Einsatz der stufenlosen Leistungsregelung (Drosseln der angesaugten Luft) oder durch Frequenzregelung (Regeln der Drehzahl des Motors und dadurch der Drehzahl des Kompressors) können zusätzlich Kosten gespart werden.

Beide Systeme passen die Liefermenge des Schraubenkompressors dem tatsächlichen Druckluftbedarf an. Sie finden ihren Einsatz dann, wenn der Betreiber nur einen kleinen Druck-luftbehälter mit einem geringen Speichervolumen einsetzen kann, oder wenn der Druckluftbedarf stark schwankt. In diesen Fällen stehen im Normalbetrieb hohe Leerlaufkosten an. Durch die Anpassung an den Druckluftbedarf arbeitet der Schraubenkompressor praktisch nie im Leerlauf.

Die Lebensdauer und die Verfügbarkeit der beanspruchten Teile werden erhöht durch die Verringerung der Lastwechsel. So arbeitet die stufenlose Leistungsregelung wirtschaftlich im Leistungsbereich zwischen 50 % und 100 %, denn in diesem Bereich spielt sich der häufigste Druckluftbedarf ab. Unter 50 % Volumenstrom arbeitet der Kompressor unwirtschaftlich. Da schaltet er natürlich aus. Beide Systeme haben die weiteren Vorteile:

• schnelle Verfügbarkeit bei Schwankungen des Druckluftbedarfs

• keine Druckschwankungen im Netz

• Druckabsenkung auf den tatsächlich benötigten Netzdruck möglich und keine unnötige Höherverdichtung.

Bei der Leistungsregelung macht sich die Kosteneinsparung durch Absenkung des Druckes bemerkbar. Allein die Absenkung um nur 1 bar bringt eine Energieeinsparung von ca. 6 % bis 10 %.

Beim Betrieb mehrerer Kompressoren lassen sich noch zusätzliche Kosten sparen. Sind mehrere Kompressoren am Netz, schalten sich die einzelnen Maschinen nicht alle gleichzeitig ein. Stromspitzen sollen ja vermieden und mit Energiekosten sparsam umgegangen werden. Deshalb arbeiten die Kompressoren mit versetzten Schaltgrenzen.

• Der Grundlastkompressor schaltet bei 9,5 bar ein und bei 10 bar wieder aus.

• Der Mittellastkompressor arbeitet zwischen 9 und 9,5 bar.

• Der Spitzenlastkompressor schaltet zwischen 8,5 und 9 bar.

Es ist nicht sinnvoll, daß alle drei Kompressoren unseres Beispiels ständig in diesem Rhythmus arbeiten. Der Grundlastkompressor wäre dann ja ständig im Einsatz, während der Spitzenlastkompressor vielleicht gar nicht einschaltet. Um das zu vermeiden, setzt man Grundlast-Wechselschaltungen ein, die dann die einzelnen Kompressoren untereinander tauschen.

Wir bewegen uns bei dem Beispiel in einem Druckband von 1,5 bar, zwischen 8,5 bar und 10 bar. Einer der Kompressoren muß tatsächlich bis 10 bar hoch verdichten, damit im Netz immer ein Druck von 8,5 bar zur Verfügung steht. Muß das sein? Wir haben ja vorher gelesen, daß eine Druckerhöhung um ein Bar eine Energiekostenerhöhung von ca. 6% bis 10% ausmacht.

Auch hier lassen sich Kosten sparen, indem am gemeinsamen Druckluftbehälter keine einzelnen Druckschalter, sondern nur ein Drucksensor installiert wird. Der Drucksensor hat eine Bandbreite von ca. 0,5 bar. In dieser gemeinsamen Bandbreite bewegen sich alle Kompressoren. Werden 8,5 bar im Netz benötigt, dann schalten alle Kompressoren zwischen 8,5 und 9 bar. Eine Verdichtung auf 10 bar ist somit überflüssig. Wir sparen bei dem Mittellastkompressor unseres Beispiels eine Höherverdichtung von 0,5 bar und bei dem Grundlastkompressor sogar eine Höherverdichtung von 1 bar. Ein Rechenbeispiel soll die Einsparung verdeutlichen.

Folgende Daten liegen zugrunde:

• Drei Kompressoren mit 30 kW Antriebsleistung sind im Einsatz

• Stromkosten 0,25 DM pro kWh

• Höherverdichtung um 1 bar kostet ca. 8 % mehr Energie

• Berechnungszeitraum ein Jahr

• Die Anlagen laufen im Einschichtbetrieb mit 2000 Betriebsstunden im Jahr.

Grundlastkompressor: Höherverdichtung von 1 bar entspricht 8 % mehr Energie. 8 % von 30 kW sind 2,4 kW.

2,4 kW bei 2000 Betriebsstunden sind 4800 kWh.

Bei einem Strompreis von 0,25 DM sind das Einsparungen von 1200 DM/Jahr.

Mittellastkompressor: Da hier „nur“ eine Höherverdichtung von 0,5 bar entfällt, können auch nur Kosten von 600 DM zusätzlich eingespart werden.

Das ergibt insgesamt eine Kosteneinsparung durch Verdichten nur auf den tatsächlichen Druck von 1800 DM/Jahr.

Kombination von Schrauben- und Kolbenkompressor:

Haben wir doch vorher schon gehört, daß Kolbenkompressoren wirtschaftlich im Aussetzbetrieb arbeiten, während Schraubenkompressoren dann Energiekosten sparen, wenn sie als Grundlastmaschine arbeiten.

Hieraus läßt sich die ideale Kombination ableiten. Der Schraubenkompressor deckt die Grundlast ab. Er ist auf den mittleren Druckluftbedarf ausgelegt und arbeitet ständig im wirtschaftlichen Lastlaufbetrieb, ohne zwischendurch in den kostenungünstigen Leerlaufbetrieb zu schalten. Den Spitzendruckluftbedarf deckt dann der Kolbenkompressor ab. Er arbeitet immer im wirtschaftlichen Aussetzbetrieb (Start-Stopp). Beide Kompressoren werden durch ihren eigenen Druckschalter mit versetzten Schaltgrenzen gesteuert. Eine Grundlast-Wechselschaltung ist in diesem Fall nicht ratsam, denn dann würde der Kolbenkompressor Dauerlauf und der Schraubenkompressor im Spitzenlastbetrieb mit ungünstigen Leerlaufzeiten fahren.

Zwei kleine Kompressoren als Doppelanlage:

Anstelle eines großen Kompressors mit 30 kW Antriebsleistung ist durchaus die Überlegung realistisch, zwei Kompressoren mit jeweils 15 kW Antriebsleistung einzusetzen. Dabei spielt es keine Rolle, ob es sich um Kolben- oder Schraubenkompressoren handelt. Die Vorteile liegen auf der Hand:

• Beim Einschalten geht zunächst nur ein Kompressor ans Netz, dadurch wird der Anlaufstrom minimiert.

• Bei geringerem Druckluftbedarf arbeitet nur ein Kompressor mit niedriger elektrischer Leistung.

• Bei Wartung oder Ausfall eines Kompressors stehen immer noch ausreichend Reserven durch den zweiten Kompressor zur Verfügung.

• Beide Kompressoren werden durch eine Grundlast-Wechselschaltung regelmäßig getauscht und gleichmäßig ausgelastet.

Ein Nachteil könnte diese Konfiguration allerdings haben. Der Anschaffungspreis von zwei kleinen Kompressoren wird sicherlich höher liegen als der Preis eines einzelnen, größeren Kompressors.

Bei der Neuinstallation, aber auch bei der Erweiterung einer bestehenden Kompressoranlage, muß das Druckluft-Leitungsnetz unter die Lupe genommen werden. Denn bei den Druckluftleitungen können auf zweierlei Arten und Weisen Kosten gespart werden.

Leckagen vermeiden

Leckagen im Leitungsnetz sind ständige Verbraucher. Wenn die Leitung abends nicht abgesperrt wird, dann verbraucht eine Leckage rund um die Uhr über 8000 Stunden im Jahr Druckluft.

Beispiel: Eine Undichtigkeit in der Leitung von 1 mm Größe verbraucht bei einem Druck von 8 bar immerhin 75 l/min. Um diese Leckage wieder aufzufüllen, wird eine Energie von 0,6 kW benötigt. Daraus ergeben sich Jahreskosten von 1350 DM.

Druckluftverluste durch Leckagen lassen sich im praktischen Betrieb nie ganz vermeiden. Es sind Fälle bekannt, wo 25 % der Druckluft verloren gehen. Es gibt natürlich viele Möglichkeiten, Leckagen zu orten. Die einfachste und altbewährte Methode ist die des Anfeuchtens von Verschraubungen mit Seifenlauge. Bei Leckagen treten Bläschen auf, so daß eine schnelle und kostengünstige Erkennung gegeben ist.

Gehen Sie doch einmal dann durch Ihren Betrieb, wenn gerade nicht produziert wird. Sie hören es bestimmt an einigen Verschraubungen zischen. Dort wird „Geld zum Fenster herausgeschmissen“. Die Leckagen an den Verschraubungen werden noch dadurch forciert, daß vielleicht unaufbereitete Druckluft durch die Leitungen strömt und das anfallende Kondensat die Dichtungen der Verschraubungen angreift.

Druckverluste vermeiden

Druckluft-Rohrleitungen werden so dimensioniert, daß sie einen möglichst geringen Druckabfall ergeben. In der Praxis sind die folgenden Druckverluste üblich:

• Hauptleitung 0,03 bar

• Verteilerleitung 0,03 bar

• Anschlußleitung 0,04 bar

Bei der Erweiterung einer Druckluftstation bleiben die Leitungen oft unberücksichtigt. Bei steigendem Druckluftdurchsatz steigen aber auch automatisch die Druckverluste in den Leitungen. Allein bei einer Druckerhöhung um 1 bar steigen, wie schon häufiger festgestellt, die Energiekosten um ca. 6 % bis 10 %.

Kosten sparen bei der Anschaffung einer Druckluftstation ist die eine Seite. Aber weitere und wesentlich höhere Kosten fallen dann an, wenn die Druckluft produziert wird. Hier gilt es, den Hebel anzusetzen, denn das größte Einsparungspotential sind die laufenden Betriebskosten. Der Betreiber sollte auch seine vorhandene Druckluftstation kontrollieren. Druckluftbedarfsmessungen sind schnell selbst oder mit Hilfe des Kompressorherstellers durchzuführen. Dabei kann man feststellen, ob die Druckluft noch optimal erzeugt, getrocknet, gefiltert und fortgeleitet wird.

Zum Schluß noch eine Bemerkung am Rande. Sie haben einen Druckluftfilter in Ihrer Druckluftleitung? Filter setzen sich im Laufe der Zeit zu, so daß sich ein Differenzdruck aufbaut. Ein häufiger Elementwechsel zum Beispiel nach einem halben oder nach einem Jahr bei einem Differenzdruck von ca. 0,5 bis 0,7 bar, abhängig vom Verschmutzungsgrad der Druckluft, kann auch Kosten sparen bei der Drucklufterzeugung; wir wissen ja, 1 bar Höherverdichtung . . . n