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%

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Bismarckstraße 14247057 DuisburgTel: 0203/306-1261Fax: 0203/306-1299

Die Energieagentur NRW wurde als neu-trale und unabhängige Landeseinrichtunggegründet. Ihr Auftrag lautet, Unterneh-men sowie Städten und Gemeinden Hilfe-stellung zur ökonomischeren Energiever-wendung und zum Einsatz unerschöpflicherEnergiequellen zu geben – einerseits durchBeratung, andererseits durch Wissensver-mittlung.

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