Druckluftkosten mit Kaskadierung senken

Wer das Unternehmen H.-H. Focke beauftragt, sucht keine Verpackungsmaschine von der Stange, sondern maßgeschneiderte Technik, die haargenau auf die jeweilige Verpackungsaufgabe abgestimmt ist. Das Berliner Unternehmen betreibt seit 1978 Sondermaschinenbau auf hohem Niveau. Dafür arbeiten insgesamt 330 Mitarbeiter und mehr als 50 CNC-Maschinen in bis zu vier Schichten. In der 2.500 m² großen Montagehalle werden aus den gefertigten Präzisionsteilen jährlich 50 bis 70 Maschinen montiert. Als vor etwa zwei Jahren in Berlin die Erneuerung der Druckluftversorgung anstand, suchte das Unternehmen seinerseits nach einer maßgeschneiderten Lösung. Diese sollte nicht nur den im Tagesverlauf schwankenden Bedarf präzise, sicher und effizient abdecken, sondern auch auf eine für die Station vorgesehene Bühnenkonstruktion in der Versandhalle passen. Das individuelle Konzept der Essener Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik überzeugte die Berliner und wurde 2018 umgesetzt.

Fertigung und Montage benötigen bei Focke kontinuierlich Druckluft. „Unsere CNC-Maschinen sind die Hauptabnehmer“, erläutert Betriebsleiter Detlev Gründer. „Sie benötigen Druckluft unter anderem als Sperrluft für Spindel- und Messsysteme, für die Aerostatik der Linearführungen, für Tür- und Klappensteuerungen und selbstverständlich für die Reinigung. Außerdem besteht Bedarf in unserer Lackiererei.“ Die Druckluft wird hier in aufbereiteter Form als Atemluft eingesetzt. Weitere wichtige Verbraucher sind die handgeführten Schleifmaschinen, mit denen zum Beispiel große Gussteile nachbearbeitet werden, sowie Montage- und Reinigungsprozesse.

„Unser Druckluftverbrauch ist in der Frühschicht am höchsten, weil dann alle Abteilungen produktiv sind“, beschreibt er das Verbrauchsprofil. „In der mechanischen Fertigung fahren wir drei oder sogar vier Schichten und benötigen dort entsprechend rund um die Uhr Druckluft, während in der Montage und den anderen Abteilungen maximal zweischichtig gearbeitet wird. Und von Samstag- bis Sonntagnacht steht die Produktion für 18 Stunden komplett.“ In dieser Zeit müssen lediglich einige der CNC-Maschinen mit Druckluft beaufschlagt werden, um die Führungen in Position zu halten.

Um den genauen Druckluftbedarf im Tages- und Wochenverlauf festzustellen, führte der Kompressorenhersteller zunächst eine Verbrauchsmessung durch. „Wir haben die Lasten aufgenommen und die Auslastung des alten drehzahlgeregelten Kompressors, der damals allein für die Versorgung zuständig war, überprüft“, erläutert Stefan Blaß, technischer Berater bei Atlas Copco. „Basierend auf dem Ist-Zustand haben wir Vorschläge erarbeitet.“ Bei der Konzeption der neuen Station lag besonderes Augenmerk darauf, dass die vorgesehenen drehzahlgeregelten Kompressoren dauerhaft mit höchstens 80 Prozent ihrer Leistung betrieben werden sollten, denn in diesem Bereich arbeiten sie am wirtschaftlichsten. „Wir haben die Station daher so ausgelegt, dass der effizienteste Bereich, wenn überhaupt, nur kurzzeitig verlassen wird!“

Außerdem kamen Gründer und Blaß zu dem Schluss, dass sich die Druckluft aufgrund der unterschiedlich hohen Bedarfe besser mit mehreren kleinen anstelle der bisherigen großen Maschine erzeugen lässt. „Wir haben das System dahingehend entwickelt, dass eine Kaskade aus mehreren Kompressoren dem jeweiligen Bedarf entsprechend hoch- und herunterfahren kann“, erklärt Blaß. „Als Minimum haben wir dann nur noch eine Maschine in Betrieb. Das ist weitaus effizienter, als wenn ein großer Kompressor auf unterster Stufe arbeitet.“ Auf dieser Basis, so Blaß, habe Atlas Copco schließlich eine betriebsfertige Installation aus einer Hand geliefert.

Anstelle der alten drehzahlgeregelten 90-kW-Maschine eines Wettbewerbers teilen sich heute drei öleingespritzte Schraubenkompressoren aus den neuen GA+- und GA-VSD+-Serien den Platz auf der Druckluftbühne. Zwei drehzahlgeregelte Maschinen vom Typ GA 45 VSD+ FF mit je 45 Kilowatt (kW) Leistung arbeiten im wöchentlichen Wechsel mit einem 37 kW starken GA 37+ FF mit fester Drehzahl zusammen, der die Grundlast erzeugt. Beide Kompressoren decken zusammen den durchschnittlichen Druckluftbedarf, der zwischen 12 und 14 m3/min bei einem Betriebsüberdruck von 7,2 bar liegt. Die jeweils andere VSD-Maschine steht als Redundanz zur Verfügung. Die maximalen Volumenströme der Zweierkombinationen liegen bei 16,5 m3/min. Wird am Wochenende weniger Leistung benötigt, als der GA 37+ FF allein erzeugt, schaltet dieser sich ab und ein drehzahlgeregelter GA 45 VSD+ übernimmt.

Die GA-VSD+-Kompressoren sind mit besonders energiesparenden IE5-Permanentmagnetmotoren ausgestattet und im Vergleich zur Vorgängergeneration des Herstellers noch einmal um neun Prozent effizienter. Das Kürzel FF steht für die werkseitige Integration von Kältetrocknern in den Maschinen, die einen Drucktaupunkt von 3 Grad Celsius sicherstellen. Weitere Merkmale der neuen Kompressoren sind ihr leiser Lauf sowie ihre konstruktionsbedingt geringe Stellfläche. Die bei Focke geforderte Luftqualität bezüglich Restöl- und Partikelrückständen stellt eine Kombination aus UD+- und QD-Filtern sicher, die den Kompressoren jeweils nachgeschaltet ist.

Eine übergeordnete Steuerung vom Typ ES 16 des Kompressorenherstellers koordiniert das Zusammenspiel der Kompressoren und lässt diese immer an ihrem optimalen Betriebspunkt arbeiten. Auch das wochenweise Umschalten zwischen den beiden VSD-Maschinen erfolgt automatisch. Durch den Einsatz der Steuerung in Kombination mit den drehzahlgeregelten Maschinen und einem 5000-l-Pufferbehälter sind die Druckschwankungen im System mit ± 0,05 bar äußerst gering. „Unsere neue Station fährt mit einer sehr konstanten Leistung“, führt Gründer aus. „Der alte Kompressor hat ja allein die komplette Druckluftversorgung übernommen, und sobald es Schwankungen im System gab, neigte er zum Aufschwingen. Das war laut und hat zu Spitzen im Stromverbrauch geführt. Diesen Effekt haben wir mit der neuen Anlage nicht mehr. Und in der Halle ist es dadurch deutlich ruhiger.“

Während sich die Verfügbarkeit durch die neue Station verbessert hat, ist der Energieverbrauch gesunken. „Im Rahmen unseres Energieaudits nach DIN EN 16247-1 haben wir festgestellt, dass die Drucklufterzeugung bei uns mit 16,2 Prozent ein großer Stromverbraucher ist“, erklärt der Betriebsleiter. „Das war definitiv ein Grund, warum wir uns von unseren vorherigen Maschinen getrennt und uns für neue Kompressoren entschieden haben. Denn aufgrund ihrer höheren Effizienz können wir heute die erforderliche Druckluftmenge mit einer um etwa zehn Prozent verringerten Leistungsaufnahme erzeugen.“ Ein weiterer Faktor, der die Energiebilanz positiv beeinflusst, ist die Möglichkeit, mit der Abluft der luftgekühlten Maschinen in der kalten Jahreszeit die Versandhalle zu heizen, in der sich die Druckluftbühne befindet.

Neben der eingesparten Energie hat die Effizienz der GA+- und GA-VSD+-Kompressoren auch die Investitionssumme reduziert. Denn die Maschinen aus dieser Serie werden im Rahmen eines Förderprogramms des Bundesamtes für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (BAFA) mit bis zu 40 Prozent bezuschusst. „Atlas Copco hat uns als einzige Firma bereits in der Angebotsphase empfohlen, die BAFA-Förderung zu beantragen und uns mit den nötigen Unterlagen versorgt“, lobt Detlev Gründer. „Die Gesamtinvestition von 118.000 Euro wurde mit mehr als 20 Prozent gefördert.“