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Baugrößenvergleich: Elektromotor, Lamellenmotor und Turbinenschleifer. Bild: HAW

Die weit verbreiteten PET-Flaschen werden mit Druckluft aufgeblasen, und Druckluft hilft in Kläranlagen, das Wasser aufzubereiten. Doch die Wirtschaftlichkeit und Energieeffizienz von Druckluft als Arbeitsfluid steht häufig in der Kritik. „In der Vergangenheit stand vor allem der Effekt im Vordergrund“, räumt Drucklufttechnik-Experte Prof. Dr.-Ing. A. P. Weiß von der Hochschule für angewandte Wissenschaften Amberg-Weiden ein, „nicht das Verhältnis von Aufwand und Nutzen“. Klimaschutz und Energiewende erfordern ein Umdenken. „Der Fokus richtet sich jetzt auf die Effizienz.“

Wissenschaft und Industrie beschreiten dabei längst neue Wege, bewährte Technik geht Hand in Hand mit Innovation. Das gemeinsame Ziel ist fest umrissen: die Energieeffizienz von Druckluft fortlaufend verbessern und die Drucklufttechnik zukunftsfähig machen. Prof. Dr.-Ing. Weiß ist überzeugt: „Nutzt man das gesamte Potenzial, so ist die Druckluft im Betrieb zukünftig eine rationelle Energieanwendung, die richtig eingesetzt, keinen Vergleich zu scheuen braucht.“

Eine Studie der Europäischen Union zeigt, dass 18 Prozent der elektrischen Energie in der Industrie für die Erzeugung von Druckluft als Arbeitsfluid verbraucht wird. Ein Drittel dieser Elektrizität, so die Studie, ließe sich durch geeignete Technik und effizientere Anlagen einsparen. Dazu braucht es kompetente Fachkräfte. An der HAW Amberg-Weiden wurde Drucklufttechnik bereits im Jahr 2000 in das Lehr- und Forschungsangebot aufgenommen, und ein Prüfstand für Drucklufttechnik und pneumatische Antriebe aufgebaut. Seit dieser Zeit arbeitet die Hochschule eng mit der Industrie zusammen.

Der ortansässige Maschinenbauer Deprag konnte als Partner zur Entwicklung innovativer Druckluftwerkzeuge gewonnen werden. Die Entwicklung von schnelllaufenden Turbinen für Druckluft, CO2, Erdgas, Wasserdampf und andere Dämpfe sowie die Konzeption dazu notwendiger Generatoren mündete beispielsweise in das Green-Energy-Turbinensystem der Deprag – eine Technik, mit der geringe Restmengen von Prozessgas profitabel verstromt werden können.

Druckluftantriebe sind Ex-geschützt

Im Vergleich zu elektrischen Antrieben zeichnen sich Druckluftmotoren und druckluftbetriebene Werkzeuge durch ihre hohe Leistungsdichte, eine kurzzeitige schlagartige Leistungsfreisetzung (Hammer), Schnelligkeit (Zylinder), Überlastbarkeit und Anfahrbarkeit gegen Last, beliebig häufige An- und Abschaltvorgänge sowie Robustheit und Unempfindlichkeit gegen Feuchtigkeit und Schmutz aus. Dazu kommt der Ex-Schutz der Druckluftantriebe.

In explosionsgefährdeter Umgebung, in der schon ein einzelner Funke große Gefahr darstellt, sind Elektrowerkzeuge nur bedingt einsetzbar, Druckluftwerkzeuge dagegen ohne Vorbehalt. Die Konstruktions- und Wirkungsweise des Druckluftmotors schließt eine Überhitzung aus, elektrische Anschlüsse entfallen.

Kritiker bemängeln jedoch die Wirtschaftlichkeit der Drucklufttechnik. Je nach Bauart nutze der Druckluftmotor die Expansionsarbeit der Druckluft nicht optimal aus, als Folge werde mehr komprimierte Luft verbraucht als unbedingt nötig. Der Verbrauch an Energie für den elektrischen Kompressor sei demnach höher, als wenn der Strom direkt für ein elektrisches Werkzeug genutzt würde, argumentieren sie.

Die Anwendung bestimmt die Antriebslösung

Dagmar Dübbelde

„Druckluftmotoren und Elektromotoren lassen sich nicht 1:1 vergleichen. Die Anwendung ist es, die die Antriebslösung bestimmt.“
Dagmar Dübbelde, Deprag

Dagmar Dübbelde, Deprag-Produktmanagerin für Druckluftmotoren, kontert: „Druckluftmotoren und Elektromotoren lassen sich nicht Eins-zu-Eins vergleichen. Die Anwendung ist es, die die Antriebslösung bestimmt.“ Sie verdeutlicht das an einem konkreten Beispiel: „Ein Motor soll in einer Verpackungsmaschine eine Drehzahl von 450 Umdrehungen pro Minute erzielen. Zum Verschluss eines Packbandes steht über einen längeren Zeitraum ein Drehmoment von 25 Nm mit reduzierter Drehzahl an. Elektromotoren können nicht über einen längeren Zeitraum überlastet werden. Das würde zu einer unzulässigen Überhitzung führen.

Deshalb wird ein Elektromotor für diese Verpackungsmaschine auf das Lastdrehmoment ausgelegt und würde eine Leistung von 1170 W (25 Nm mal 450 min-1 dividiert durch 9550) benötigen.“ Ganz anders sieht die Rechnung beim Druckluftmotor aus. Dübbelde: „Beide Anforderungen der Verpackungsmaschine können durch den günstigen Drehmomentverlauf von Druckluftmotoren mit einem kleineren Motor realisiert werden. Hier würde man einen Druckluftmotor mit einem Nenndrehmoment von 15 Nm bei einer Nenndrehzahl von 275 min-1 auswählen. Da das Arbeitsdrehmoment unter dem Nenndrehmoment liegt, dreht der Motor unter geringer Last nahe der Leerlaufdrehzahl mit 450 Umdrehungen/Minute. Die benötigte Leistung des Druckluftmotors beträgt damit nur 430 W.“

Die Produktmanagerin fügt hinzu: „Wenn beim Druckluftmotor für diese Verpackungsmaschine nur ein Drittel der Leistung eines Elektromotors installiert werden muss, erscheint die Energiebilanz des Druckluftmotors gleich in einem ganz anderen Licht.“ Druckluftmotoren arbeiten nahe der Nenndrehzahl am effektivsten. Dübbelde rät daher allen Anwendern: „Die Pneumatikmotoren müssen für ihre Anwendung sorgfältig ausgelegt werden, das spart elektrische Energie und Betriebskosten.“ Ganz einfache konventionelle Maßnahmen erhöhen dabei bereits die Wirtschaftlichkeit. Dübbelde: „Die vom Hersteller empfohlenen Schlauchweiten müssen unbedingt eingehalten werden. Jede Engstelle wirkt als Drossel und reduziert die Leistung des Pneumatikmotors.“

Auch die Hersteller der für die Druckluftstationen benötigten Kompressoren leisten ihren Beitrag, den Energieverbrauch der Drucklufterzeugung flächendeckend um 30 Prozent zu senken. Kaeser Kompressoren bietet für Anwender ein PC-gestütztes Druckluft-Audit an, das für neue, aber auch bestehende Anlagen den tatsächlichen Luftbedarf akkurat ermittelt. Erwin Ruppelt: „Je mehr Transparenz über Kosten und Einsparpotenziale bei der Druckluftversorgung besteht, desto näher kommen alle Beteiligten dem Ziel, den Energieverbrauch der Drucklufterzeugung um ein Drittel zu drosseln – zum Vorteil der Unternehmensbilanzen und der Umwelt.“

Drucklufttechnik kann mehr

Prüfstand für Drucklufttechnik an der Hochschule für Angewandte Wissenschaften Amberg-Weiden.

Prüfstand für Drucklufttechnik an der Hochschule für Angewandte Wissenschaften Amberg-Weiden.

Bei der Bestandsaufnahme werden Einsparpotenziale entdeckt, die Druckluftstation auf Zuverlässigkeit und Energieeffizienz ausgelegt sowie für die Zukunft optimiert. Moderne kompressorinterne Steuerungen kommunizieren mit Industrie-PC, ermöglichen eine präzise Datenerfassung und -auswertung und bilden die Basis für ein komplexes Systemmanagement, das auch bei bereits bestehenden Stationen den Energieverbrauch deutlich senken kann.

Drucklufttechnik kann noch mehr. Ruppelt ist begeistert: „Mit Wärmerückgewinnung lässt sich weitere wertvolle Energie einsparen. 100 Prozent der in einem Kompressor zugeführten Antriebsenergie werden in Wärme umgewandelt. Immerhin bis zu 96 Prozent dieser Energie lassen sich ein zweites Mal verwenden – etwa zu Heizzwecken oder als Prozesswärme.“ Durch gezielte Nutzung der Kompressorabwärme könne daher nicht nur der Elektroenergieverbrauch, sondern auch der Heizenergiebedarf eines Betriebes spürbar verringert werden.

Welche Effizienzsteigerungen mit gezielter Wärmerückgewinnung bei Schraubenkompressoren möglich sind, zeigt das Beispiel eines Mühlenbetriebs. Der Vergleich der Jahre 2007, als noch ohne Nutzung der Kompressor-Abwärme gearbeitet wurde, und 2011 spricht am Ende sehr deutlich für sich: Bei der Gasheizung konnten bei diesem Unternehmen insgesamt 552.000 kWh eingespart werden. Diese Ersparnis entspricht 36 Prozent der gesamten Heizkosten des Betriebs. Im Jahresdurchschnitt ist es gelungen, 52 Prozent der Kompressor-Leistungsaufnahme für Heizzwecke gewissermaßen ein zweites Mal zu nutzen; der Spitzenwert der Messung betrug 71 Prozent.

Innovative Entwicklungen in der Drucklufttechnik versprechen ebenfalls eine Senkung der Energiekosten. Beispielsweise der pneumatische Turbinenantrieb. Statt des herkömmlichen Lamellenmotors nutzt dabei eine Turbine die Expansionsarbeit der Druckluft. Diese verwertet das Arbeitsfluid weit effizienter, der Luftbedarf der Maschine nimmt um ein Drittel ab. Dazu punktet der Turbinenantrieb mit einem unübertroffenen Leistungsgewicht (Kilogramm/Kilowatt), es ist nur halb so groß wie beim Lamellenmotor.

Deprag-Produktmanagerin Dübbelde: „Durch den Austausch eines faustgroßen Lamellenmotors gegen einen Turbinenantrieb gleicher Größe kann ich die Motorleistung mit einem Schlag verdoppeln.“ Die Turbine benötigt darüber hinaus keine Schmierstoffe und Verschleißteile gibt es nicht. Auch das spricht für die Wirtschaftlichkeit einer Turbine.

Kaeser Kompressoren

ADA 2 von Kaeser Kompressoren – ein Werkzeug zur Bestimmung von Druckluft-Bedarfsanalysen – ermöglicht nun unter anderem den Web-basierten Zugriff und die Analyse der Daten und ist in der Lage, innerhalb kürzester Zeit dem Betreiber erste Informationen zur Verfügung zu stellen.

Prof. Dr.-Ing. A.P. Weiß von der Hochschule für angewandte Wissenschaften Amberg-Weiden fasst zusammen: „Druckluft ist heute effizienter als je zuvor. Bezieht man die Wärmerückgewinnung mit

ein, gibt es für einen Betrieb nichts Wirtschaftlicheres.“ Für die Zukunft sieht er noch großes Potenzial: „Druckluftsysteme könnten zukünftig verstärkt Anwendung bei der dezentralen Speicherung überschüssiger erneuerbarer Energie finden. Mit vorhandenen Kaeser-Kompressoren und dem innovativen GET-Turbinengenerator von Deprag könnte die CAES (Compressed Air Energy Storage) benannte Kurzzeitspeicherung von Wind- oder Sonnenenergie auch im kleinen kW-Bereich ein neues Anwendungsgebiet der Drucklufttechnik darstellen.“

Autor nach Unterlagen von Deprag, www.deprag.com

Kurz und bündig

Grafik

Mit Wärmerückgewinnung lässt sich wertvolle Energie einsparen.

Die Hochschule Amberg-Weiden…

…ist eine der jungen, aufstrebenden Hochschulen in Bayern. Ihre 82 Professorinnen und Professoren widmen sich mit ihren rund 3200 Studenten seit nunmehr 19 Jahren erfolgreich Zukunftsthemen wie beispielsweise „Erneuerbare Energien, „Energieeffizienz“ oder „Rationelle Energieanwendung“. Da ist es praktisch ein Muss, sich in Lehre und angewandter Forschung mit der „Energieffizienten Drucklufttechnik“ auseinanderzusetzen. Neben dem Angebot einschlägiger Vorlesungen haben die Studierenden die Möglichkeit, in den Laboren mit Drucklufttechnik zu arbeiten, zum Beispiel Kompressoren und Werkzeuge zu testen.

Diesen Service bietet die Hochschule auch Industriepartnern an. Studierende unterstützen Industriebetriebe bei der energetischen Optimierung ihrer Druckluftanlagen im Rahmen von Projekten, Praktika und Abschlussarbeiten. Natürlich stets begleitet und betreut durch eine(n) Professor(in). Das weit überdurchschnittliche Engagement der jungen Hochschule bleibt nicht unbeachtet – seit Herbst 2013 darf sie sich zusammen mit der Hochschule Regensburg „Technische Hochschule“ nennen.