Energiekosten und Leckagen Das Druckluftnetz – ein Energiefresser im Betrieb PROJEKT-INFO: ENERGIEAGENTUR NRW
Energiekosten und Leckagen
Das Druckluftnetz – ein
Energiefresser im Betrieb
PROJEKT-INFO:
ENERGIEAGENTUR NRW
Jede Fabrik braucht sie, dochkaum jemand weiß, daß Druckluft eineder teuersten Energieformen ist. Die ra-tionelle Nutzung von Druckluft birgt da-her große Einsparpotentiale. Häufig kon-zentrieren sich die Einsparbemühungennur auf die Drucklufterzeugung, das heißtauf die Kompressoren und die Wärme-rückgewinnung.
Aber auch die Druckluftverteilungbietet ein großes Potential zur Energie-kostenreduzierung, das nicht vernachläs-sigt werden sollte. Im wesentlichen be-trifft dies die Bekämpfung von Leckagenund die korrekte Auslegung der Druck-luftleitungen zur Minimierung der Druck-verluste. Die planerischen und anwen-dungstechnischen Kenntnisse, die not-wendig sind, um dieses Potential zu er-schliessen, werden von kompetenten Fach-firmen und Beratern in NRW angeboten.
Die häufig anzutreffende Konstel-lation effizienter Kompressoren auf dereinen Seite und veralteter Druckluftver-teilungen auf der anderen Seite führt oft-mals dazu, daß nur ein Teil der möglichenEnergiekosten eingespart wird. Es istnicht außergewöhnlich, daß in einem ver-nachlässigten Druckluftrohrsystem Leck-agen von 30 Prozent und Druckabfällevon 2 bar bestehen, die dazu führen, daßbis zu 50 Prozent der eingesetzten Ener-gie vergeudet wird – das zeigen Erfahrun-gen der Energieagentur NRW. Nicht nurdie Energie wird hier umsonst bezahlt.Nach einer Sanierung der Druckluftver-teilung könnten theoretisch die Hälfte derKompressoren stillgelegt werden.
Ein Grund für die Tatsache, daßhäufig zwar moderne und effiziente Kom-pressoren eingesetzt werden, aber dasDruckluftnetz nicht gleichermaßen opti-miert wird, ist die häufig anzutreffendeAufteilung der Zuständigkeit im Betriebfür die Energieart Druckluft, und zwarauf die Bereiche Drucklufterzeugung undDruckluftverteilung. Letztere fällt mei-stens in die Zuständigkeit allgemeiner be-trieblicher Rohrwartung. Da die Lecka-gen bei Druckluftrohren nicht sichtbarsind, keine Umweltprobleme verursachenund in der Regel auch keine Sicherheits-mängel nach sich ziehen, führt das Druck-luftnetz im Betrieb häufig ein vergessenesDasein mit den eingangs erwähnten Fol-gen. Wenn bei Netzerweiterungen bzw.beim Anschluß neuer Verbraucher an ei-nigen Stellen Versorgungsengpässe auf-treten, wird der Druck des gesamten Net-zes angehoben, anstatt die Rohrdurch-messer an die benötigten Liefermengenanzupassen. Eine sehr teure Art und Wei-se, die Versorgung anzupassen. Da eineÄnderung der Rohrdurchmesser bei ei-nem bestehenden Netz nur schwer mög-lich ist, ist es bei der Auslegung des Net-zes besonders wichtig, von Beginn an dieDimensionierung der Verteilung optimalauszulegen. In einem Drei-Schicht-Be-trieb mit zum Beispiel 200 kW Kompres-sorenleistung kann eine schlechte Druck-luftverteilung überflüssige Energiekostenvon deutlich über 100.000 Mark pro Jahrverursachen. Ein Geschäftsfeld, das ins-besondere Ingenieurbüros und Consul-tants noch stärker bearbeiten könnten.
Das Druckluftnetz – ein Energiefresser im Betrieb
Das Druckluftnetz – ein Energiefresserim Betrieb
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Die Druckluftmessung
Eine erste Problemlösung –die Druckluftmessung
In vielen Unternehmen bestehtUnklarheit über die eingesetzte Energiezur Bereitstellung der Druckluft. Die tat-sächlichen Stromkosten können nicht be-stimmt und verursachungsgerecht Kosten-stellen zugewiesen werden. Desweiterenbesteht oft Unklarheit über den Anteilder Druckluftverluste durch Leckagen.Abhilfe schaffen kann in diesen Fälleneine Druckluftmessung, die auch mit ein-fachen Mitteln möglich ist.
Diese ermöglicht eine erste Ab-schätzung der Stromkosten für die Druck-lufterzeugung. Genauere Messungen, diedetailliertere Ergebnisse bringen, aberauch einen höheren Aufwand erfordern,werden von spezialisierten Fachfirmenangeboten.
Der Meßaufbau
Der Meßaufbau
Der aus handelsüblichen Kompo-nenten bestehende Meßaufbau benötigteine standardisierte Druckluftsteckdoseoder eine Druckluftverschraubung in un-mittelbarer Nähe der Drucklufterzeu-gungsstation. Durch die dämpfende Wir-kung des Druckluftspeichers werden un-erwünschte Druckschwingungen, die beiDruckluftentnahmen aus dem Vertei-lungssystem auftreten können, reduziert.Das Druckluftsystem wird über eineSchlauchleitung mit dem Druckaufneh-mer verbunden. Der Druckaufnehmerwandelt den Systemdruck in ein Span-nungssignal um. Dieses wird vom Signal-umformer digitalisiert und im Datenlog-ger gespeichert. Die Meßdaten könnenüber eine Schnittstelle auf einen PC über-tragen und dort ausgewertet werden.
Die vom Land getragene Energie-agentur NRW versteht sich als unabhän-gige Anlaufstelle für Unternehmen undKommunen in NRW, die eine neutraleEnergieerstberatung anbietet. Ein Ziel derArbeit der Energieagentur NRW bestehtdarin, die Geschäftsführer von nordrhein-westfälischen Betrieben zu motivieren,über kostensenkende Investitionen in dasDruckluftsystem nachzudenken. Um dazudie wirtschaftlichsten Maßnahmen zu er-mitteln, wird empfohlen, externe Fachbe-rater oder Fachbetriebe anzusprechen. AufWunsch nennt die Energieagentur NRWmögliche Ansprechpartner, falls die Be-triebe nicht über entsprechende Firmen-kontakte verfügen.
Im Folgenden sind die Ergebnissevon zwei Druckluftmessungen beispiel-haft dargestellt, die nach Initialberatungender Energieagentur NRW (AußenstelleDuisburg) durchgeführt wurden.
Systemdruck (relativ)
Signalumformerund Datenlogger Datenauswertung
0 5 10Zeit in Minuten
15 20 25
Systemdruckbar
7,0
6,8
6,6
6,4
6,2
6,0
Druckluftanschluß Druckaufnehmer
Druckluftspeicher
Verteilungssystem
Druckluftverdichter
Meßaufbau zur Ermittlung deszeitlichen Druckverlaufes
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Das Meßprinzip Die Meßauswertung
Das Meßprinzip
Für die Ermittlung der Druckluft-verluste durch Leckage wurde die Metho-de des geringsten Druckabfalls entwik-kelt. Das Verfahren beruht auf der An-nahme, daß ein Druckluftsystem ohnekontinuierliche Dauerverbraucher beiSchwachlast kurze Zeiträume aufweisenmuß, in denen keine Nutzabnahme erfolgt.Hierbei wird das Gefälle bzw. die Stei-gung der Kurve des Druckverlaufs alsMaß für die Luftzufuhr oder -entnahmebetrachtet. Für einen kurzen Zeitabschnittwird der Druckabfall bei stillstehendemKompressor ermittelt. Da dieser vom re-lativen Systemdruck abhängig ist, wird dieSystemdruckkurve in verschiedene Druck-stufen zerlegt. Für jede Druckstufe wer-den über einen längeren Zeitraum (z.B. 8Stunden) die Druckgefälle der Größe nachsortiert. Der kleinste Wert jeder Druck-stufe wird für die Erstellung einer Funktiondes Druckabfalls durch Leckage in Ab-hängigkeit des relativen Systemdrucks be-nötigt. Unter Berücksichtigung der Lek-kage kann diese Methode auch auf denDruckanstieg bei Betrieb des Kompressorsübertragen werden.
Die Meßauswertung
Die ermittelten Funktionen erge-ben den idealen Druckverlauf durch Kom-pressorbetrieb und Leckage bei fehlenderDruckluftnutzung. Neben dem zeitlichenVerlauf des relativen Systemdrucks kön-nen die Druckänderungen durch Leckageund Kompressorbetrieb dargestellt wer-den. Die darunter liegenden Flächen sindjeweils gleich groß und in erster Nähe-rung proportional zum Energieeinsatz.Aus der ablesbaren Kompressorbetriebs-zeit, der Gesamtzeit einer Periode undder Stromaufnahme des Kompressors kannder Strombedarf zur Deckung der Lecka-geverluste bestimmt werden. Wird derStrombedarf für Leckage auf ein Jahrhochgerechnet und mit dem Stromarbeits-preis multipliziert, kann ein DM-Betragfür ein mögliches Kosten-Einsparpoten-tial ausgewiesen werden.
Druckerzeugung (Kompressor)Druckverluste durch Leckage (85%)Druckverluste durch Nutzung (15%)Systemdruck (relativ)
Wird die tatsächliche Systemdruck-kurve bei Nutzabnahme von der idealenDruckkurve überlagert, ergeben sich alsDifferenz die Nutzenergiemengen. Je stei-ler die Systemdruckkurve bei Kompres-sorstillstand ist und je flacher bei Kom-pressorbetrieb, desto stärker ist die Nutz-abnahme. Wird die Differenz des Druckab-falls von realer und idealer Druckkurvegebildet, erhält man den Druckverlustdurch Nutzung. Die beiden Flächen desDruckverlustes durch Nutzung und Lek-kage sind zusammen so groß wie dieFläche der Druckerzeugung. Das Verhält-nis der Flächen von Nutzung und Leckageist proportional zum Verhältnis der Nutz-energie zur Verlustenergie.
Die Energieagentur NRW siehtdie Möglichkeit durch die Messung Be-triebe zu motivieren, in ein Energiemana-gement einzusteigen. Eine breite Anwen-dung dieses preiswerten Meßverfahrensist daher von besonderem Interesse. Be-ratungsunternehmen, die das Verfahrenweiterentwickeln und einsetzen möchten,erhalten weitergehende Informationen.
Pa/sec400
350
300
250
200
150
100
50
0
Druckänderung
Druckverluste durch Leckageund Nutzung bei Starklast
0 5 10Zeit in Minuten
15 20 25
Systemdruck bar
7,0
6,8
6,6
6,4
6,2
6,0
Meßergebnisse bei derFirma Flender ESAT, Herne
Die Firma Flender ESAT, die be-reits einige Projekte zu rationellen Ener-gieverwendung umgesetzt hat, nutzt jedeChance, ihre Wettbewerbsfähigkeit weiterzu verbessern: Die Druckluftmessung indiesem Betrieb zeigte trotz Starklastbe-trieb einen hohen Leckageverlust von ca.45% der erzeugten Druckluft auf. BeiSchwachlast wurde eine deutliche Domi-nanz der Leckageverluste (ca. 85%) ge-genüber der Druckluftnutzung (ca. 15%)ermittelt. Die geschätzten Stromkostenfür die Drucklufterzeugung: ca. 10.000DM/a. Durch vollständige Leckagebesei-tigung könnten hiervon ca. 4.500 DM/aeingespart werden. Hierbei sind vermeid-bare Verluste bei der Drucklufterzeugungnoch nicht berücksichtigt.
MeßergebnisseMeßergebnisse
Meßergebnisse bei derFirma Tridelta, Dortmund
Auch die Firma Tridelta setzt aufneue Umweltmaßstäbe und wird Energieeffizienter einsetzen: Aufgrund der ge-messenen Druckkurve wurden hier für dieverschiedenen Tages- und Wochenzeitendie Zeitanteile von Teil- und Vollast er-mittelt. In der Starklastzeit am Vormittagwurden Leckageverluste von 80% undeine Druckluftnutzung von 20% ermittelt.In den Schwachlastzeiten am Nachmittag,in den Nacht- und Wochenendstundensinkt der Nutzanteil auf unter 10%. Hoch-gerechnet auf ein Jahr ergibt sich ein Ver-hältnis von Druckluftnutzung zur Lecka-ge von ca. 1:9.
Ein weitere Quelle für Energie-verluste stellt der Schraubenkompressordar. Dieser läuft im Dauerbetrieb mitLeerlaufphasen, in denen trotz fehlenderDruckluftförderung erhebliche Mengenan Strom benötigt werden. Diese Strom-mengen werden in Wärme umgesetzt undmit dem Abwärmestrom in die Umge-bung geleitet. Zusätzlich wird aufgrundder hohen abgelesenen Stromaufnahmein diesem Betriebszustand ein nicht ein-wandfreier Betrieb der Anlage vermutet,was zu weiteren Verlusten führt.
Aufgrund der vorgenommen Mes-sung des Druckverlaufs und der Ablesungder Stromaufnahme wurde der jährlicheStrombedarf für die Druckluftbereitstel-lung hier auf ca. 865 MWh/a geschätzt.Die Stromkosten der Drucklufterzeugunglassen sich unter Berücksichtigung desderzeitigen Gesamtstrombezugs und desStromvertrags auf ca. 91.000 DM/a ab-schätzen. Könnte die genutzte Druckluft-menge verlustarm erzeugt und leckage-frei verteilt werden, würde sich der Strom-einsatz auf 76 MWh reduzieren. Die ver-bleibenden Energiekosten betragen ca.8.000 DM/a, so daß ein Einsparpotentialvon ca. 83.000 DM/a ausgewiesen werdenkann.
Aus den geschätzten 865 MWhelektrischer Energie werden nur ca. 69,2MWh Druckluftenergie erzeugt. Von dererzeugten Druckluftenergie gehen ca. 90%durch Leckage verloren, so daß lediglich6,9 MWh genutzt werden; dieses ent-spricht einem Gesamtnutzungsgrad von<1%. Die kWh Nutzenergie kostet dem-nach 13,32 DM/kWh Druckluft (zum Ver-gleich: Strompreis 0,105 DM/kWh, (preis-werteste Zone, Faktor 126).
Druckerzeugung (Kompressor)Druckverluste durch Leckage (85%)Druckverluste durch Nutzung (15%)Systemdruck (relativ)
Kompressor-betriebszeit
Pa/sec400
350
300
250
200
150
100
50
0
Druckänderung
0 5 10Zeit in Minuten
15 20 25
Systemdruck bar
7,0
6,8
6,6
6,4
6,2
6,0
Druckverluste durch Leckageund Nutzung bei Schwachlast
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Zur Planung von Druckluftanlagen
Reduzierung der Energiekosten, die auf-grund der Lebensdauer einer Druckluftan-lage über viele Jahre anfallen, zu erreichen.
Wenn ein Unternehmen die Druck-luftanlage im Rahmen von Outsourcingnicht selber bauen und betreiben möchte,bietet Contracting die Möglichkeit, dieDruckluftanlage in einer Hand zu kon-zentrieren und zu optimieren. Das Unter-nehmen schließt mit einem Contractor ei-nen Vertrag nach dem dieser die Druck-luftanlage plant, finanziert, baut, betreibtund wartet. Auch die Reservehaltung wirdvon ihm übernommen. Das Unternehmen,das die Druckluft nutzt, bezahlt nur nochdie bereitgestellte und bezogene Druck-luft. Der Contractor als spezialisiertesUnternehmen mit entsprechendem Know-how kann die Anlage optimal und ko-stengünstig bauen und betreiben. Um imWettbewerb mit anderen Contractoren zubestehen, muß er die Druckluft möglichstkostengünstig anbieten und wird dazu sei-ne Fachkompetenz und seine Erfahrungauch zum Nutzen seines Kunden einset-zen. Das Unternehmen kann sich vomContractor zum Beispiel einen Preis proKubikmeter Druckluft am Verbrauchs-punkt (nicht am Kompressor) garantierenlassen. Die Energieagentur NRW führtals neutraler Dritter Contractor und Con-tracting-Nehmer zusammen und begleitetdas Projekt.
Weitere Informationen sind zudiesem Thema auch erhältlich im Semi-nar „Druckluft“, das die EnergieagenturNRW im Rahmen des REN Impuls-Pro-gramms RAVEL NRW nordrhein-west-fälischen Weiterbildungseinrichtungen zurVerfügung stellt.
Zur Planung von Druckluftanlagen
Bei der Planung von Druckluftlei-tungen sind die Kenntnisse aus dem Was-ser- und Heizungsbau nur wenig hilfreich.Planung und Bau der Druckluftverteilungunter den Gesichtspunkten der optimalenAuslegung und des energiekostengünsti-gen Betriebs erfordern spezifische Fach-kenntnisse. Druckluftverteilungen solltenebenso sorgfältig und fachmännisch ge-plant werden wie Elektroverteilungen.Die Auswahl passender Werkstoffe beiRohren, Formteilen und Armaturen hin-sichtlich einer langen Lebensdauer, einerguten Umweltverträglichkeit und einerhohen Wirtschaftlichkeit muß sorgfältiggeschehen.
Folgende Anforderungen an dieDruckluftverteilung sollten erfüllt werden:
• Der Druckabfall im Netz muß minimiert sein und darf 0,1 bar nicht überschreiten, die maximale Fließ-geschwindigkeit beträgt 6 m/Sek.
• Die Rohrverbindungen müssen dichtsein (z.B. geschweißt, gelötet odergeklebt)
• Die Rohre sollten korrosions- undoxydationsfest sein, um Beeinträchti-gungen der Luftqualität und auf Dau-er Leckagen zu vermeiden.
Zur Ausschöpfung des erwähntenEinsparpotentials scheint es sinnvoll, dieZuständigkeit der gesamten Druckluft-technik (Erzeugung, Verteilung, Verbrau-cher) betrieblich in einer Hand verant-wortlich zu konzentrieren. Das ist beson-ders wichtig, wenn die Druckluftanlagevon einem Komplettanbieter installiertwird oder gewartet werden soll. Der Lie-ferant sollte den Preis der Druckluft amVerbrauchspunkt garantieren, was ihn zueiner optimalen Kombination der Kom-ponenten unter technischen und wirtschaft-lichen Aspekten zwingt.
Bei der Wirtschaftlichkeitsbetrach-tung zur Anschaffung oder Sanierung ei-ner Druckluftanlage sollten sowohl dieInvestitionskosten für Anschaffung undInstallation als auch die Betriebskostenfür Energie und Wartung von Anfang anberücksichtigt werden. Aufgrund des ho-hen Anteils der Energiekosten kann esdurchaus sinnvoll sein, höhere Investi-tionskosten in Kauf zu nehmen, um eine
Beteiligte Firmen
Beteiligte Firmen:
1. Flender ESAT
Engineering & ServiceAntriebstechnik GmbHSüdstraße 111, 44625 HerneTel. 02323/940-0 – Fax 02323/940-204Ansprechpartner: Herr Gräve, technischer Produktionsleiter
• Betrieb mit 250 Mitarbeitern (1998), 3-schichtige Betriebsweise.
• Der 18 kW Kompressor läuft im Aussetzbetrieb.
• Die Druckluft wird in Werkzeug-maschinen und Härteöfen eingesetzt.
• Der Stromeinsatz für die Druck-luftbereitstellung wird nicht separat erfaßt.
2. Tridelta Dortmund GmbH
Ostkirchstraße 177, 44287 DortmundTel. 0231/4501-0 – Fax 0231/4501-357Ansprechpartner: Herr Bellen, Koordination, Investitions- undFördermittel
• Das Unternehmen ist eine Holding mit 8 selbständigen Firmen.
• Betrieb mit 250 Mitarbeitern (1998), 2-schichtige Betriebsweise.
• Der 150 kW Schraubenkompressor läuft im Last/Leerlauf-Betrieb mit zeitweiliger Druckluftförderung.
• Die Druckluft wird in Werkzeug-maschinen eingesetzt.
• Die Druckluft wird nicht gezählt, aber durch eine willkürlich festgelegte Pauschale abgerechnet.
• Der Stromeinsatz für die Druckluft-bereitstellung wird nicht separat erfaßt.
Dru
cklu
ft
Jahresstromeinsatz 864.800 kWh
Druckluftkühler43.800 kWh
5%
Teillastverluste226.100 kWh
26%
Leckageverluste62.300 kWh
7%
Kältetrockner42.500 kWh5%
Umwandlungsverlusteim Kompressor483.200 kWh56%
Nutzenergie6.900 kWh
<1%
Ged
ruck
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wel
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