Effiziente Kompressoren und optimierte Luftansaugung

Druckluft ist eine der teuersten Energieformen in Industriebetrieben, da lediglich 5 – 14 Prozent der eingesetzten Energie in Nutzleistung umgewandelt wird (Gloor, 2017). Mit etwa 7 Prozent des industriellen Stromverbrauchs in Deutschland sind Druckluftanlagen zugleich ein wichtiger Energieverbraucher mit großem Effizienzpotenzial (Rohde, 2021).

Viele Kompressoren zur Druckluftbereitstellung in Industriebetrieben werden mit einer festen Motordrehzahl in einer Vollast-Leerlauf-Regelung betrieben. Das Ein- und Ausschalten des Kompressors wird dabei durch einen unteren und oberen Druckgrenzwert im System bestimmt. Bei schwankendem Druckluftbedarf ist dieser Betrieb durch Leerlauf-, Anlauf- und Nachlaufverluste sehr ineffizient. Kommen mehrere Kompressoren in einer Druckluftstation zum Einsatz, kann eine übergeordnete Steuerung die Schaltvorgänge reduzieren und damit die Effizienz erhöhen, indem manche Kompressoren die Grundlast stellen und andere bei Spitzenlast dazu geschaltet werden. Dadurch lassen sich jährlich bis zu 12 Prozent an elektrischer Energie einsparen. Noch deutlich effizienter kann der Bedarf durch den Einsatz von umrichterbetriebenen, drehzahlvariablen Kompressoren gedeckt werden. Diese stellen den geforderten Volumenstrom bei konstantem Druck zur Verfügung und führen durch verringerte Druckschwankungen auch zu geringeren Strömungsverlusten. Das Einsparpotenzial liegt bei bis zu 15 Prozent des jährlichen Strombedarfs und ist umso höher, je stärker der Bedarf an Druckluft in der Anwendung schwankt.

Zuerst sollte eine Bestandsaufnahme aller eingesetzter Kompressoren und deren Steuerung und Ansaugsysteme durchgeführt werden. Anschließend sollte die Häufigkeit von Ein- und Ausschaltvorgängen bei Kompressoren mit fester Drehzahl überprüft werden. Werden häufige Schaltvorgänge festgestellt, sollte der Umbau der Einzelsysteme zu einer zentralen Kompressorstation mit einer übergeordneten Steuerung in Erwägung gezogen werden. Bestehende Kompressoren mit fester Drehzahl können darin die Grundlast bereitstellen, die Spitzenlast kann effizient durch drehzahlvariable Kompressoren erzeugt werden.

Aufgrund der höheren Dichte sollte die vom Kompressor angesaugte Luft möglichst kühl sein, um die Effizienz der Anlage zu erhöhen. Dies kann etwa durch einen direkten Außenluftanschluss erreicht werden. Dabei ist der Einbau einer motorisch angetriebenen Außenluftklappe sinnvoll, die bei einer Ansaugtemperatur über 5 °C die Außenluftverbindung öffnet und bei Unterschreitung von 5°C warme Raumluft beimischt. Durch kühlere Ansaugluft kann eine Effizienzsteigerung von 0,3 %/K erreicht werden. Das Einsparpotenzial einer optimierten Luftansaugung und -aufbereitung liegt bei ca. 5 Prozent des jährlichen Strombedarfs (Radgen 2001). Diese Maßnahme hat bei geringem Aufwand eine große Wirkung, welche jedoch im Sommer und an Orten mit dauerhaft hoher Außentemperatur geringer ausfällt.

Bei größeren Anlagen sollte die Möglichkeit einer Abwärmenutzung, eventuell in Kombination mit einer Wärmepumpe zu Heizzwecken oder Warmwasserbereitung, geprüft werden.

Erste Schritte bei der Umsetzung

• Bestandsaufnahme aller Kompressoren
• Monitoring von Volllast-Leerlauf-Zyklen
• Implementierung einer übergeordneten Steuerung in gemeinsamer Station prüfen
• Einsatz drehzahlvariabler Kompressoren prüfen
• Außenluftanschluss bei Luftansaugungen überprüfen
• Möglichkeiten der Abwärmenutzung prüfen

Herausforderungen und Lösungsansätze

Außenluftansaugung ein Lüftungskanal mit großem Durchmesser über lange Strecken notwendig. In diesem Fall kann es sich lohnen, die Anlage an eine Außenwand zu versetzen. In dem Zuge kann der Kompressor eventuell direkt mit anderen Kompressoren zu einer gemeinsamen Station integriert werden.

Fördermöglichkeiten

Das Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (BAFA) ermöglicht im Rahmen der Förderung hocheffizienter Querschnittstechnologien die Förderung von effizienten Druckluftanlagen sowie deren übergeordneter Steuerung.

Wechselwirkungen mit anderen Maßnahmen

Wird Druckluft durch Ausbessern und Vermeiden von Leckagen eingespart, reduziert sich der Volumenstrom und damit der Nutzen durch effiziente Kompressoren und Außenluftansaugung geringfügig. Eine Leckageprüfung sollte in jedem Fall stattfinden, bevor neue Kompressoren geplant werden.

Co-Benefits

Durch den Einsatz einer übergeordneten Steuerung und von drehzahlvariabler Kompressoren reduziert sich die störende Geräuschbelastung durch Verringerung oder Vermeidung der Vollast-Leerlauf-Zyklen. Kühlere Ansaugluft durch Außenluftansaugung führt zu einer Verringerung der Kondensatbildung und der Restfeuchte der Druckluft. Eine Außenluftansaugung kann bei staubigen Produktionshallen zudem den Filtermaterialverbrauch verringern.

Umstellung der Luftzufuhr mehrerer Druckluftkompressoren auf Außenluftansaugung

In einem mittelgroßen Druckereiunternehmen befinden sich mehrere Kompressoren mit direkter Luftansaugung in einem warmen Aufstellungsraum mit einer durchschnittlichen Raumtemperatur von 24 °C. Mit geringer Investition wird die Luftzufuhr auf eine Außenluftansaugung umgestellt. Vor allem im Winter und in den Übergangsjahreszeiten können dadurch die Ansaugtemperaturen deutlich reduziert und so erhebliche Mengen an Strom eingespart werden. Der investive und bauliche Aufwand ist gering und die Investition amortisiert sich in weniger als zwei Jahren.