Druckluftsysteme


Zuletzt aktualisiert von Rolf Gloor am 15.04.2014

Artikel Introbild
Druckluft ist eine teure Energie, der m³ kostet etwa 10 bis 20 Rappen. Bei Anlagen mit wenigen Betriebsstunden machen die Stromkosten nur etwa 20% der Betriebskosten aus, bei Anlagen, welche rund um die Uhr laufen, können es bis zu 80% sein. Wenn wichtige Maschinen Druckluft benötigen, werden oft zwei gleiche Kompressoren installiert, welche abwechslungsweise betrieben werden, damit beide den gleichen Serviceintervall haben.

Der theoretische Wirkungsgrad einer Druckluftanlage könnte bei 50% liegen, über das ganze System mit den Lecks bis zu den Anwendungen kann aber auch nur ein Wirkungsgrad von 5% resultieren. Beim Kompressor könnte 80% der eingebrachten elektrischen Leistung als Abwärme auf einem Temperaturniveau um die 80°C genutzt werden. Nebst dem sparsamen Einsatz von Druckluftenergie liegt der Ansatz zur Energieeffizienz im richtigen Anlagenkonzept und in der Wartung.

druckluft
Darstellung einer einfachen Druckluftanlage.
(Bild Gloor)
100% Elektrische Leistung
10% Verluste im Antriebsmotor
90% Umwandlungsverluste im Kompressor (steht als Abwärme auf 80 °C zur Verfügung)
90% Theoretische pneumatische Leistung (isothermische Verdichtung)
30% Verluste im Kompressor (Ansaugung, Lecks, Reibung ...)
15% Anfahr- und Nachlaufverluste
5% Druckverluste in der Druckluftaufbereitung (Filter, Kältetrockner)
15% Druckverlust in Druckreduzierventilen und Leitungen
10% Leckverluste an den Ventilen, Kupplungen und Schläuchen
5% Umwandlungsverluste in den Druckluftanwendungen
10% Nutzenergie in der Anwendung
Typischer Energiefluss einer 22 kW Druckluftanlage. (Quelle: 12 Analysen von Gloor, 2003)

Kennzahlen

VergleichsgrösseDurchschnittZiel
Kompressorleistung pro m³/h bei 8 bar Druck 130 W/(m³/h) 100W/(m³/h)
Spezifische Leistung eines Druckluftkompressors.
(Quelle: 12 Analysen von Gloor, 2003)

Energiesparmassnahmen

ProzessMassnahmeBemerkungen
Nenndruck Die wenigsten Maschinen benötigen Druckluft mit mehr 6 bar Überdruck. Eine Reduktion des Nenndruckes (erforderlicher Druck plus Druckverlust Filter und Leitungen von etwa 0,6 bis 0,9 bar) reduziert den Stromverbrauch, die Leckverluste und erhöht die Standzeit des Kompressors.
Wenn nur einige Verbraucher viel Druck benötigt, dann können diese auch mit einer Druckerhöhungsanlage oder einem eigenen Netz betrieben werden.
Eine Reduktion des Nenndrucks von 10 auf 7 bar bringt eine Stromeinsparung von über 25%.
Wenn der Minimaldruck nicht bekannt ist, kann der Druck jede Woche etwas abgesenkt werden, bis sich Probleme abzeichnen. Dann wird die letzte Reduktion wieder rückgängig gemacht.
Betriebszeit

Die jährliche Laufzeit (Volllast und Leerlauf zusammen) auf dem Betriebsstundenzähler sollte nicht grösser als die jährliche Arbeitszeit sein.
Eine gute Druckluftanlage wird ausserhalb der Arbeitszeit ausgeschaltet (Wochenschaltuhr), ebenso ein vorhandener Kältetrockner, welcher aber etwa eine halbe Stunde vor dem Kompressorstart wieder eingeschaltet werden sollte.

Die Reduktion der Laufzeit eines 11 kW Kompressors von 3000 auf 2000 Stunden im Jahr spart rund 8'000 kWh/a Strom (1600 Franken). Beim entsprechenden Kältetrockner mit einer durchschnittlichen Aufnahmeleistung von 150 W im Betrieb und 50 W im Leerlauf sind es 400 kWh/a Strom (80 Franken).
Leckreduktion

Die Suche nach Lecks in Leitungen, Armaturen und Apparaten (auch beim Kompressor) lohnt sich nur, wenn man sie auch stopft. Viele Lecks hört man, sonst gibt es spezielle Messgeräte. Für die genaue Ortung eignet sich Seifenlauge. Am einfachsten ist das Austauschen der defekten Stelle.
Die Druckluftzuleitungen an Maschinen, Anlagen und Gebäudesektoren, welche nicht in Betrieb sind, sollten manuell oder automatisch mit Magnetventilen unterbrochen werden.

Ein Ultraschall Messgerät zur Leckortung kann bei den unten aufgeführten Lieferanten gemietet werden. Ein Leckverlust von 1 l/s kostet im Jahr etwa 300 Franken Strom.

Ein automatisches Ventil kostet etwa 1000 Franken.

Leckkontrolle Maschinen und Kompressoren abgeschaltet; Druck auf 7 bar; Zeit stoppen, bis Druck auf 6 bar abfällt. Werte monatlich erfassen und in Tabelle notieren und mit den alten Werten vergleichen. Wenn die Zeit für den Druckabfall abnimmt, dann sind die Druckluftlecks grösser geworden.
Abblasen Viel Druckluft wird für die Reinigung verschwendet. Spezielle Injektordüsen reduzieren den Luftverbrauch und Lärm und sich auch sicherer. In vielen Fällen ist ein Staubsauger nützlicher.
Kühlen Für die Kühlung von Teilen ist Druckluft energetisch ungeschickt. Ein Gebläse ist wirk- und sparsamer.
Bewegung Ein 1 kW Pneumatikantrieb benötigt 5 bis 10 kW Kompressorleistung, ein gleichstarker Hydraulikantrieb benötigt 3 kW, ein Elektroantrieb etwa 1,5 kW. Druckluftantriebe mit vielen Betriebsstunden durch Elektroantriebe ersetzen.
Es gibt auch explosionsgeschützte Elektromotoren.
System Drucklufterzeugung und Druckluftverbrauch sollten aufeinander abgestimmt sein. Wenn bei schwankendem Druckluftverbrauch die Manometer an den Armaturen (Filter, Öler, Reduzierventil) heftig ausschlagen, sind die Rohrquerschnitte oder Armaturen zu klein.
Wenn nur eine Anlage betroffen ist, kann auch mit einem lokalen Druckluftspeicher gepuffert werden.
Ein drehzahlvariabler Kompressor für die Grundlast und ein zweiter Kompressor für die Spitzenlast sind oft eine gute und günstige Lösung.
Ansaugluft Die Ansaugluft des Kompressors sollte möglichst kalt und sauber sein. Der Ansaugfilter kann zur Not auch mit einem Staubsauger gereinigt werden.
Kompressor

Ein Kolbenkompressor hat einen um etwa 20% besseren Wirkungsgrad als ein Schraubenkompressor, welcher aber im Dauerbetrieb langlebiger ist.
Je nach Anforderungen können auch mehrere Kompressoren gestaffelt betrieben werden. Es gibt auch drehzahlvariable Kompressoren, welche etwa bis zu einem Fünftel der Nennluftmengen den Druck konstant halten.

Eine zu kleine Kompressoranlage kann die Produktion lahm legen, eine zu grosse Anlage, vor allem mit Schraubenkompressoren, hat durch die lange Nachlaufzeit einen schlechten Wirkungsgrad.

Leistungskontrolle Kompressor ein; Druck 6 bar; Ausgang Speicher schliessen; Zeit stoppen, bis der Druck 8 bar erreicht. Werte monatlich erfassen und in Tabelle notieren und mit den alten Werten vergleichen. Wenn die Zeit zur Druckerhöhung zunimmt, dann hat der Kompressor einen Schaden.
Nachlaufzeit Der Nachlauf ist ein einfacher Schutz des Antriebsmotors eines Schraubenkompressors vor einer Überhitzung durch zu viele Schaltspiele. In diesem Leerlaufbetrieb wird etwa ein Drittel der Nennleistung benötigt, aber keine Druckluft geliefert. Den Anteil erkennt man aus dem Verhältnis Leerlaufstunden zu den Volllaststunden. Wenn eine Anlage aus dem Nachlauf nicht direkt wieder auf Last fährt, kann diese Nachlaufzeit reduziert werden.
Es ist auch zu prüfen, ob der Kompressor nicht zu gross ist.
Abwärmenutzung

Der grosse Teil der Kompressorleistung (etwa 80%) fällt als Abwärme auf einem nützlichen Temperaturniveau um die 80 °C an. Es gibt Kompressoren mit eingebautem Wärmetauscher, welche zum Beispiel an die Heizung angeschlossen werden kann. Man kann die warme Abluft von luftgekühlten Kompressoren in der kalten Jahreszeit aber auch direkt über Luftkanäle in andere Räume leiten.

Bei 1000 Betriebsstunden in der kalten Jahreszeit ersetzt die Abwärme eines 22 kW Kompressors rund 1500 Liter Heizöl.
Druckluftspeicher Je kleiner der Druckluftspeicher ist, desto mehr Schaltspiele gibt es für den Kompressor, jedes Mal mit An- und Auslaufverlusten, vor allem bei Schraubenkompressoren. Ein grösserer Speicher kann diese Leerlaufverluste massiv reduzieren und ist besser als eine zu grosse Schaltdifferenz (üblich 1 bar). Ein Druckluftspeicher mit 1 m³ Volumen deckt mit 1 bar Druckdifferenz den Druckluftverbrauch von 1 m³/min für 1 Minute.
Filter Je kleiner der Druckverlust über den Filtern ist, desto weniger hoch muss der Nenndruck eingestellt werden. Wenn der Druckabfall über den Filtern grösser als 0,3 bar ist, sollten die Filter ausgetauscht werden. Es gibt auch defekte Filter, welche einen Riss haben, und so keinen Druckverlust anzeigen (immer im grünen Bereich) aber auch nichts mehr nützen.
Kältetrockner Durch die Komprimierung von Luft wird diese auch entfeuchtet. Nach dem Druckluftspeicher hat die Luft eine relative Feuchtigkeit von 100%. Wenn es im Leitungsnetz kälter als im Speicher ist, bildet sich dort Kondenswasser, was bei einigen Anwendungen nicht vorkommen darf.
In einem Kältetrockner wird die Luft über interne Wärmetauscher und über einem Kälteaggregat auf etwa 5 °C abgekühlt und dann über den Wärmetauscher wieder auf die Eintrittstemperatur erwärmt. Die nun trockenere Druckluft würde erst bei Temperaturen von unter 5 °C wieder Kondenswasser ausscheiden.
Damit der Wärmetauscher im Kältetrockner gut funktioniert, muss er auf der Eingangsseite regelmässig gereinigt werden. Das gleiche gilt auch für den Kondensator des Kälteaggregates.
Ausserhalb der Betriebszeit kann der der Kältetrockner abgestellt werden. Das Einschalten ohne betriebskalten Kältetrockner kann zu Wasser im Druckverteilnetz führen.
Absorptionstrockner

Wenn die Druckluft trockner als die vom Kältetrockner sein muss, können mit Absorptiontrockner Taupunkte von bis - 70 °C erreicht werden.
Zur Regeneration wird etwa 10 bis 20% der Druckluft benötigt, bei warmgenerierten Absorptionstrockner sind es etwa 2 bis 3%, bei Membrantrockner sogar 20 bis 30%.

Wenn möglich, sollten die energieeffizienteren Kältetrockner eingesetzt werden. Bei Druckluftanlagen im Aussenbereich kann der Absorberbetrieb für diese Zone auf die kalte Jahreszeit beschränkt werden.
Ablassventile Zeitgesteuerte Ablassventile für das Kondenswasser (Nachkühler, Druckluftspeicher, Filter, Kältetrockner) sind wenn möglich durch Niveaugesteuerte zu ersetzen. Die Ventile können lecken und müssen ab und zu gereinigt werden (Leckkontrolle). Ein niveaugesteuertes Ventil kostet etwa 500 Franken und zahlt sich bei grösseren Anlagen mit vielen Betriebsstunden in 1 bis 3 Jahren aus.

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