Der nachhaltige ölfreie Kompressor

Druckluft ist eine der 3 Hauptenergie­quellen für Industrie und Automatisierungs­ prozesse, aber es ist zweifellos eine sehr teure Energiequelle. Unternehmen, die sich der ISO 50001 und ihren letzten Änderungen von 2018 verpflichtet haben, konzentrieren sich nun bei Investitions­entscheidungen für gekaufte oder geleaste Anlagen stärker auf Energie­effizienz und Lebenszykluskosten. Energieeffizienz und Lebenszykluskosten wie Total Cost of Ownership (TCO) dominieren mehr und mehr die Investitions- entscheidungen.

In der Vergangenheit waren die wichtigsten Entscheidungsfaktoren für den Kauf eines Kompressors in erster Linie die Kapitalkosten, gefolgt von den jährlichen Wartungskosten und der Lieferzeit. Energiekosten und die Gesamtbetriebskosten (TCO) über einen Zeitraum von mehreren Jahren waren ein untergeordneter Entscheidungsfaktor. Mit der Betonung der Nachhaltigkeit und des Umweltbewusstseins, verlagert sich der Schwerpunkt des "Entscheidens" auf die Bewertung der Energiesignatur des gesamten Druckluftsystems. Wichtige Leistungsindikatoren wie kW/m³-Ratio, aber auch die durchschnittliche Lebenserwartung eines Produktes werden immer wichtiger.

Für Unternehmen, die das ISO 50001 Management-System anpassen, ist es obligatorisch, signifikante energieverbrauchende Einheiten (SEUs) zu identifizieren und zu benchmarken. Eine kontinuierliche Verbesserung der Energieleistung muss geprüft und verifiziert werden. Der beste Weg, dies zu erreichen, sind Durchflussmessungen für den Druckluftverbrauch und kW-Messungen. Als zentralisierte Anwendung liefern diese Messungen Energiedaten, und als Ergebnis von beidem können Sie einen Key-Performance-Indikator erstellen. Gute Key Performance Indicators (KPI) sind für die Bewertung von Systemen unerlässlich. In Kombination mit Prozess- und Verbrauchsdaten können Sie Ihr System bewerten und den besten Kompressor auswählen.

Ein Beispiel: Die Produktion hat einen schwankenden Druckluftbedarf zwischen 30% Grundlast bei geringer Auslastung (Nachtschicht), bei normaler Produktion 60% bis 75% und eine Spitzenlast von 85% der Gesamtkapazität des Kompressor. Der allgemeine Ansatz wäre eine Auswahl von 3 unterschiedlich großen Schraubenkompressoren und mindestens einem frequenzgeregelten Schraubenkompressor.

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Abb. 1: Eine Visualisierung des „Luft- spalts“ zwischen den Läufer-Paaren in einem Schrauben­verdichter

Ein Hauptproblem von ölfreien, trockenen Schraubenkompressoren ist ein ständiger Leistungsverlust nach einer relativ kurzen Lebensdauer. Alle Schraubenkompressoren haben einen Luftspalt zwischen ihren beiden Läuferpaaren. Dieser Luftspalt wird aufgrund von Abrasionseffekten immer größer. Dies ist der Hauptgrund für eine Überholung der Verdichterstufe nach einigen Betriebsstunden. Hinzu kommt, dass ein Frequenzumrichter selbst nochmal etwa 5% zusätzliche Leistung verbraucht und erfordert nach einigen Jahren ebenfalls eine umfangreiche Reparatur oder einen Austausch. Mit dem Fokus auf TCO und der steigenden Nachfrage nach nachhaltigen, effizienteren oder ökologischen Lösungen erfährt eine alternative Technologie eine Renaissance.

Vor der Erfindung des Schraubenkompressors wurde die Druckluft für Fabriken und Produktionsanlagen durch Kolbenkompressoren (mit einer, zwei, drei und manchmal vier Verdichtungsstufen) bereitgestellt. Diese waren gut konstruiert, sehr effizient und für ein ganzes Leben lang gebaut. Die Ära der ölüberfluteten Schraubenkompressoren führte zum Niedergang der Niederdruck-Kolbenkompressoren. Sie boten eine billigere Alternative, obwohl die Energiesignatur geringfügig höher war wurde er zum Industriestandard.

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Abb. 2: Ein Beispiel für einen nachhaltigen ölfreien Kompressor: Ein ölfreier, doppeltwirkender Kolbenkompressor aus dem Jahr 1983, der in Kairo (Ägypten) immer noch im Betrieb ist.

Moderne doppeltwirkende, ölfreie Kolbenkompressoren können sich im Wettbewerb bei den besten frequenzgeregelten Kompressor leicht durchsetzen. Sie sind effizienter und bieten eine nachhaltige, langlebige Lösung unter fast allen Umgebungsbedingungen. Ein kW/m³-Verhältnis von 5,5 bis 6,2 je nach Größe und eine nachgewiesene Lebensdauer von 240.000 bis 320.000 Betriebsstunden (30 bis 40 Jahre) sind die Hauptvorteile.
Eine konstante Energieeffizienz ohne die Notwendigkeit einer umfangreichen Überholung nach einigen Jahren ist für viele Jahre garantiert, wenn ein Kunde die Empfehlungen für Wartungsintervalle von 8.000 Betriebsstunden einhält. Bei jeder Wartung werden die Kompressions- und Führungsringe, die Hauptverschleißteile, ausgetauscht. Bei einem doppeltwirkenden Kolbenkompressor ist der Kompressionsraum nach der zweiten Wartung immer wie neu.

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Abb. 3: Beispiel für die Durchflussregelung eines ölfreien, doppeltwirkenden Kolbenkompressors

Ölfreie, langsam laufende, doppeltwirkende Kolbenkompressoren können Liefermengen zwischen 0%, 50% und 100% anbieten. Durch eine schnelle Regelung der Ventile, führt dies zu einer Anpassung der bereitgestellten Liefermenge. Diese Ansteuerung erfolgt innerhalb von Sekunden. Diese Liefermenge kann so sauber geregelt werden wie bei einem herkömmlichen Schraubenkompressor mit einem Frequenzumrichter. Mit einem effizienten Entlastungssystem verbraucht ein doppelwirkender Kolbenkompressor etwa nur 10% seines Energieverbrauchs im Leerlauf. Ein Schraubenkompressor, ölgeschmiert oder ölgeflutet, verbraucht bei Leerlauf etwa 24% der erforderlichen Maximalleistung.
Ein kW/m³-Verhältnis von 5,5 bis 6,2, eine variable Liefermengenregelung, extrem lange Wartungsintervalle, keine größeren Überholungen oder Änderungen an der Verdichterstufe, eine konstante Effizienz über Jahrzehnte Dies sind die wesentlichen Vorteile, die den ölfreien Kolbenkompressor im Vergleich zu einem "normalen" Schraubenkompressor nachhaltig machen. In Kombination mit einem übergeordneten Steuerungs- und Visualisierungssystem erfüllen das System alle Anforderungen an moderne Druckluftstationen.

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Abb. 4: Spezifische Leistung mit ölfreier Technologie. Die Energie macht etwa 80% der Total Cost of Ownership (TCO) aus.

Ein offener TCO-Vergleich von 5 bis 10 Jahren oder ein nachhaltiger Ansatz für eine Kompressorstation kommt immer zum gleichen Ergebnis. Die altmodischen, aber ständig weiterentwickelten, langsam laufenden, doppeltwirkenden, ölfreien Kolbenkompressoren sind die effizientesten ölfreien Kompressoren auf dem Markt. Wir können allen Endbenutzern nur raten, sich selbst in die Lage zu versetzen, die wahren Lebenszykluskosten eines Druckluftkompressors zu messen und zu vergleichen. Alle potenziellen Anbieter müssen gezwungen werden, die tatsächlichen technischen Daten auf der Grundlage normalisierter Bedingungen und der gesamten Eingangsleistung bei Volllast, Mindestlast und Leerlauf anzubieten. Mit diesen Informationen ist ein gleichwertiger, auf Fakten basierender Vergleich möglich. Mit dem Key Performance Indikator können die Kunden ihre Effizienz auf der Grundlage real gemessener Fakten überwachen und nicht eine Situation oder ein System erraten oder einschätzen. Die ISO 50001:2018 fordert Messungen in der Praxis und einen Vergleich zwischen geplanten und realisierten Einsparungen.

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