Bis zu 35% Strom sparen

Thomas Kordik

Energie spart man logischerweise am effektivsten, wenn die Energie, die man gerade nicht braucht, erst gar nicht erzeugt wird. Die wichtigsten Maßnahmen zur Energieeinsparung müssen somit da erfolgen, wo der Energieverbrauch entsteht, im Verdichtungsprozess des Verdichterblocks. Deshalb haben alle namhaften Hersteller von Verdichterblöcken diese u. a. im Profil so weit optimiert, dass bei Volllastbetrieb vergleichsweise nur noch geringe Unterschiede in der Energieaufnahme bestehen.

Im Teillastbereich hingegen greifen viele Hersteller nicht in den Verdichtungsvorgang ein. Die Standard-Steuerungen arbeiten peripher zum Verdichtungsvorgang. Beispiele sind die Optimierung von Schaltzyklen durch digitale Steuerungen in Last-/Leerlauf oder die Proportional-Steuerung (-Regelung), auch Ansaug-/Drosselregelung genannt. Nur in den seltenen Fällen, in denen das Speicher-Kesselvolumen ausreichend dimensioniert ist, kann eine Last-/Leerlauf-Steuerung optimal und wirtschaftlich arbeiten. Denn ein Schraubenkompressor mit Proportionalregelung, verbraucht im sogenannten Leerlauf noch immer ca. 85% der Energie des Volllast-Energiebedarfs.

Nach dem Ölpreisschock der 1970er Jahre patentierte Gardner Denver die Turn-Valve-Steuerung, die soweit wie möglich in den Verdichtungsvorgang eingreift. Ein spiralförmig ausgeformter Zylinder wird in einer Längsbohrung unterhalb der Rotoren im Verdichterblock mittels einer Zahnstange über zwei Hydraulikzylinder nach links oder rechts gedreht. Im Verdichterblock stellen längs ausgefräste, leicht quer angeordnete Bodenöffnungen eine Verbindung zwischen dem Inneren des Blocks und der Längsbohrung her. Wird der Zylinder gedreht, öffnen oder schließen sich mehr oder weniger die Bodenöffnungen im Verdichterblock, millimetergenau. Dabei wird der Verdichtungsvorgang wie folgt beeinflusst: Das Öffnen oder Schließen der an der Längsachse des Verdichterblocks angeordneten Bodenöffnungen verlagert stufenlos und präzise den Punkt im Verdichterblock, an dem die angesaugte Luft zwischen den Rotoren erfasst und zur Verdichtung hin befördert wird, von der Ansaugseite aus zur Ausblasseite. Das heißt, das Drehventil verändert die Eingriffslänge der Rotoren. Damit wird keinesfalls komprimierte Luft über sogenannte Falschluftöffnungen zur Ansaugseite zurückgeführt, sondern es wird von vornherein die Verdrängung des Verdichters geändert und weniger Luft verdichtet. Der Druck wird dabei konstant gehalten und über das Drehventil werden Leistungen von 40% bis 100% der Volllast geregelt. Bei geringem Luftverbrauch hat man quasi einen kleinen Verdichterblock, bei hohem Luftbedarf einen großen Verdichterblock im Einsatz.

Abbildung 1 zeigt die typische Leistungskurve eines Schraubenkompressors mit Drehventil-Steuerung. Zwischen 40 und 100% des Vollastbedarfs wird ausschließlich über das Drehventil geregelt. Daraus ergibt sich ein nahezu linearer Energiebedarf, weil im Verdichtungsvorgang lediglich das verdrängte Volumen des Kompressors geändert wird. Ab etwa 40% des Vollastbedarfs ist das Ende des Hubs des Drehventils erreicht und der Schraubenkompressor wird bis etwa 20% mit Ansaug-Drosselregelung gesteuert. Deshalb verringert sich der Energieverbrauch auch nicht weiter, sondern verharrt in diesem reduzierten Bereich. Von 0 bis 20% des Vollastbedarfs hat der Benutzer die Auswahl, den Kompressor weiter mit Ansaug-Drosselregelung zu steuern oder im Automatik-Modus zu fahren. Entsprechend der ermittelten Zykluszeiten Tc entscheidet die digitale Steuerung (GD Autosentry ES+), entweder auf Last- /Leerlaufregelung oder auf Ansaug-Drosselregelung zu schalten. Die Kurve in der Abbildung zeigt den Energiebedarf, bei dem ein vertretbar großer Speicherkessel der Steuerung die Umschaltung auf Last- /Leerlaufbetrieb/Aussetzbetrieb gestattet.

Die andere bewährte und zuverlässige Art der effizienten Teillastregelung stellt die stufenlose Drehzahlregelung dar. Ein Kompressor ohne diese Regelung ist mit einem Auto vergleichbar, das mit modernster Elektronik ausgestattet ist, aber kein Gaspedal hat. So ein PKW würde immer Vollgas fahren, und die Geschwindigkeit (gleich Leistung) ließe sich nur über Bremse und Kupplung regeln. Ganz sicher hätte so ein Auto einen sehr hohen Benzinverbrauch und Verschleiß.

Das „Gasgeben“ erfolgt beim Drehstrom-Motor am einfachsten durch einen eingebauten Frequenzumformer. Durch die Veränderung der Rotordrehzahl wird ebenfalls nur soviel Luft verdichtet, wie gerade gebraucht wird. Wie beim Turn-Valve auch, greift man hier in den Verdichtungsvorgang ein, statt nur peripher zu drosseln. Nur die tatsächlich erforderliche Energie wird dazu aus dem Netz bezogen.

Um die technischen Vorteile der Drehzahlregelung in der Praxis voll nutzen zu können, muss man dem Anwender jedoch eine bedarfsgerechte Lösung anbieten. Gardner Denver setzt hierfür eine eigens entwickelte Software ein, die durch Eingabe der wichtigsten Betriebsparameter/-anforderungen eine exakte Analyse vor Ort ermöglicht. Damit kann ein individuell auf den jeweiligen Anwendungsfall abgestimmtes Angebot erstellt werden.

Voraussetzung dafür ist jedoch, dass der Kompressorenhersteller nicht nur zwei bis vier drehzahlgeregelte Kompressoren im Programm hat, sondern ein komplettes Produktprogramm (Abb. 2).

Ebenso sollte man auf den Regelbereich achten. Manche Fabrikate regeln Normmotoren nur zwischen 25 und 50 Hz und somit nur von maximal 60 bis 100% Volumenstrom. Den vollen Nutzen erschließen beispielsweise die drehzahlgeregelten Schraubenkompressoren der VS-Baureihe mit Nennleistungen von 10 bis 250 kW (Abb. 3). Dasselbe gilt auch für die Turn-Valve-Regelung. Hier bieten Gardner Denver Schraubenverdichter von 75 kW bis 250 kW Nennleistung an.

Weitere Vorteile der Drehzahlregelung sind:

• Der Frequenzumrichter und der Drehstrom-Motor sind keine Sonderausführungen, die aufeinander abgestimmt, nur beim Kompressorhersteller zur Verfügung stehen.

• Die Normmotoren sind, lediglich für höhere Drehzahlen ausgewuchtet, weltweit verfügbar (max. 3500 1/min, statt Hochgeschwindigkeitsmotoren 6500 1/min und mehr)

• Verwendet werden Frequenzumrichter in bewährter Serienbauweise, nicht „abgespeckt“, sondern mit allen Motorschutz- und Überwachungsfunktionen ausgestattet.

• Die Drehzahlregelung erfolgt über Frequenz und Spannungsänderung: Somit keine kritischen Ströme und dennoch Regelbereich von 20% bis 100% bei 100% ED (nur ca. 60% bis 100% mit externem Umrichter).

• Der Hersteller errechnet den Soll- und Istzustand der Verdichterstation und stellt die Ergebnisse in Kurven dar, unter Berücksichtigung der Kundendaten. Das Ergebnis ist eine fundierte Empfehlung und die Auswahl des passenden Kompressors.

Für einen ölgekühlten Schraubenverdichter, beispielsweise mit Drehzahlregelung, braucht man auch nicht mehr als drei Komponenten – Drucklufttrockner, Filter und Aktivkohle – nachzuschalten. Für die meisten Ölfrei-Anwendungen eignet sich der OilFreePac (Bauart Ultrafilter). Damit erwirbt der Betreiber eine Systemlösung für maximale Betriebssicherheit. Die Qualität der erzeugten Druckluft garantiert der Hersteller bei Bedarf auch schriftlich und validiert, als Bestandteil der Auftragsbestätigung. Alle GD-Schraubenkompressoren mit Ölschmierung erfüllen dann die Reinheitsklasse 1.1.1 nach ISO 8573.1. Die identische Druckluftaufbereitung benötigen übrigens auch die sogenannten ölfreien Verdichter.

Zudem bietet die richtige Anordnung der erforderlichen Filter und Trockner, ohne Überwachung, auch bei einem ölfreien Kompressor noch keine Betriebssicherheit. Im OilFreePac ist zu diesem Zweck eine Überwachung mit Steuerung enthalten. Im Störfall erfolgt die Abschaltung der Kompressoren mit Absperrung der Druckluftleitung. Eine mögliche Verschmutzung wird im OilFreePac aufgehalten.

E cav 233

www.gardnerdenver.de