Strombedarf halbiert

Das Bübchen-Werk Ewald Hermes Pharmazeutische Fabrik GmbH produziert jährlich etwa 40 Mio. babykosmetische Einzelpackungen. In der vollautomatisierten Fertigung ist eine störungsfreie Druckluftversorgung grundlegend. Die Druckluft muss in mehreren Herstellungsabschnitten absolut ölfrei sein, weil sie direkt mit den Produkten in Berührung kommt. In einigen Bereichen, zum Beispiel an den Abfüllanlagen, könnte zwar auch Druckluft mit einem Restölgehalt von 2 bis 4 mg/m3 eingesetzt werden, aus Gründen der Einheitlichkeit wird jedoch das gesamte Bübchen-Werk ausschließlich mit absolut ölfrei verdichteter Druckluft versorgt. Hierzu standen in der Vergangenheit ein absolut ölfrei verdichtender Drehzahnkompressor (7 m3/min) und ein absolut ölfrei verdichtender Kolbenkompressor (12,5 m3/min bei 7 bar) zur Verfügung.

Mit dieser Lösung war das Unternehmen auf Dauer nicht zufrieden. Der Kolbenkompressor war viel zu groß ausgelegt und verschwendete in vielen Leerlaufstunden wertvolle Energie. Zudem drangen die Vibrationen des Kolbenkompressors bis in den Bürobereich. „Wir haben deshalb eine neue Lösung gesucht und mit zwei wassereingespritzten Schraubenkompressoren von GVM ein optimales Konzept gefunden“, erklärt Frank Dieckheuer, Technischer Leiter bei Bübchen (Abb. 1). „Nach deren Inbetriebnahme wurde der Kolbenverdichter in ein anderes Nestle-Werk umgesetzt, in der bereits mehrere Verdichter dieses Typs arbeiteten. Den Drehzahnkompressor haben wir als Reserveanlage behalten.“ Als Fachmann weiß Frank Dieckheuer auch, dass der Herstellerhinweis „Erzeugung absolut ölfreier Druckluft“ nicht zwangsläufig auch absolut ölfreie Druckluft bedeuten muss. Dabei verweist er auf seine Erkenntnisse, dass bei Trockenläufern die ölgeschmierten Lagerbereiche gegenüber dem ölfrei arbeitenden Verdichtungsraum oft nicht 100% zuverlässig gegen austretendes Schmieröl abgedichtet werden können. Dieses Restrisiko ist bei den GVM-Verdichtern ausgeschlossen, da hier auch die Lager mit Kreislaufwasser geschmiert werden.

„Als die Neukonzeption der Druckluft-Versorgung für das Bübchen-Werk in Soest anstand, haben wir uns ganz gezielt ausschließlich mit GVM in Verbindung gesetzt. Dafür gab es mehrere Gründe“, berichtet Frank Dieckheuer. GVM-Kompressoren mit Wassereinspritzkühlung kannte der Betriebsleiter bereits aus dem Nestle-Unternehmen, in dem er vor dem Bübchen-Werk tätig war. Ergänzt wurden die eigenen Erfahrungen durch die positiven Urteile aus anderen Nestle-Werken. Die Anlagen kommen gänzlich ohne Öl als Schmiermittel aus. Lediglich bei dem kleineren der zwei GVM-Verdichter wird das Lager für den Keilriemenantrieb geschmiert. Die größere Anlage ist direkt gekuppelt, so dass hier jegliche Schmierung entfällt. Außerdem sind die Anlagen sehr kompakt und wartungsfreundlich gebaut und arbeiten extrem leise.

Die Umstellung auf die GVM-Anlagen erfolgte im April 2000 nach umfangreichen Bedarfsmessungen zur Ermittlung der Lastspitzen und der zeitlichen Verteilungen über den Zeitraum einer Woche einschließlich eines Wochenendes. Danach empfahlen sich die folgenden Verdichterleistungen. Die größere Anlage (Kompressor-Typ CWS 37-8 PW) mit einer Antriebsleistung von 37 kW wurde als Drehzahl geregelte Grundlastanlage mit integriertem Frequenzumrichter vorgeschlagen und auch so geliefert. Sie produziert mit einer Leistungsbandbreite von 40 bis 100% bedarfsabhängig 2,5 bis 6,4 m3/min Druckluft (bei Höchstdruck 8 bar) mit konstantem Druck. Die kleinere, 22-kW-Anlage (Kompressor-Typ CWI 22-8 PW) mit fester Drehzahl dient als Spitzenlastanlage (Abb. 2). Im Normalfall deckt die Drehzahl geregelte Anlage den Bedarf ab (geschätzter Anteil ca. 95%). Übersteigt der Druckluftbedarf die Maximalleistung von 6,4 m3/min, schaltet sich die 22-kW-Anlage, mit einer konstanten Leistung von 3,4 m3/min, automatisch zu. In diesem Augenblick wird die Drehzahl abhängige Leistung der 37-kW-Anlage zunächst um die Leistung der kleineren Anlage auf 3,0 m³/min zurückgefahren. Durch die weitere Erhöhung der Drehzahl der 37-kW-Anlage auf 100% beträgt die verfügbare Gesamtkapazität nun 9,8 m3/min. Die neue Druckluft-Station kann mit einem konstanten Betriebsdruck von 6,5 bar gefahren werden. Vorher pendelte der Druck zwischen 6,0 und 7,0 bar. Diese Reduzierung um 0,5 bar entspricht bereits einer Energieeinsparung von rund 3%.

Im Vorfeld der Kaufentscheidung hatte Frank Dieckheuer für das neue Erzeugungskonzept mit zwei GVM-Verdichtern beachtliche Energieeinsparungen von ca. 50 % gegenüber der alten Lösung ermittelt. Die wesentlichen Gründe für diese beachtliche Einsparung liegen in der energiesparenden Technologie der Verdichter, in der bedarfsgerechteren Drucklufterzeugung durch eine Drehzahl geregelte Anlage und im deutlich reduzierten Leerlaufanteil gegenüber der alten Lösung.

Normale Wartungsarbeiten wie der Austausch des Ionenaustauschers oder der Filter werden von den Mitarbeitern des Bübchen-Werkes in eigener Regie durchgeführt. Die erforderlichen Komponenten werden in Soest bevorratet. Der interne Wasserkreislauf der Schraubenverdichter wird über einen externen Kühlwasserkreislauf zurückgekühlt. Die Eintrittstemperatur des Kühlwassers in die Verdichter liegt in der sommerlichen Spitze bei rund 25 °C, im Winter zwischen 10 und 15 °C. Durch sein großzügig dimensioniertes Rückkühlsystem garantiert das System bei luftgekühlten Anlagen Drucklufttemperaturen von ca. 14 °C, bei wassergekühlten Anlagen von 5 bis 10 °C über der Temperatur des Kühlmediums. Allein durch die nahezu isotherme Verdichtung und den Fortfall zusätzlicher Rückkühleinrichtungen sparen die Verdichter bis zu 20% elektrische Energie gegenüber konventionellen Schraubenverdichtern.

Alle GVM-Anlagen verdichten einstufig auf den Enddruck. In der wartungsfreien Verdichterstufe arbeiten Polymer-Keramik-Rotoren (Abb. 3). Kontrolliertes Kreislaufwasser übernimmt die Schmierung des Zahneingriffs und der axialen und radialen hydrodynamischen Gleitlager, die Kühlung und die Spaltabdichtung. Die Stufe arbeitet ohne Getriebe, da der Hauptläufer den Nebenläufer antreibt. Die Anlagen werden an eine Trinkwasserleitung angeschlossen. Das Trinkwasser wird in den Anlagen unabhängig von Klima und Trinkwasserqualität innerhalb definierter Sollwerte permanent aufbereitet und überwacht.

Das System garantiert eine Leitfähigkeit im Wasserkreislauf zwischen 10 und 20 µS/23 °C, so dass alle Ionen und Salze sowie das im Wasser gelöste CO2 in vorgegebenen Grenzen geregelt werden. Die hochwertige Polarisationseinrichtung aus Reinaluminium und Kohlenstoff arbeitet ohne Fremdenergie. Außerdem nehmen die aufgeladenen Ionen im Wasserkreislauf befindliche Ionen anderer Polarität auf. Ein hochwirksamer Partikelfilter erhöht die Betriebssicherzeit der Anlagen. Ausgefilterte Partikel werden auch bei Druck- und Systemschwankungen in der Matrix festgehalten. Alle wichtigen Betriebszustände werden kontinuierlich erfasst und angezeigt. Ein vollautomatisches Überwachungs- und Sicherheitssystem kontrolliert alle wichtigen Anlagenparameter, zeigt Abweichungen von den vorgegebenen Grenzwerten an und schaltet die Anlagen gegebenenfalls ab. Die Keimzahl-Konzentration im Gas- und Wasserkreislauf liegt nach den Erfahrungen in Langzeitversuchen in Instituten und der Praxis nur zwischen 1 und 106 KBE. Das zu verdichtende Gas tritt mit einer definierten Feuchtigkeitsmenge in die Anlage ein und verlässt sie mit dieser Feuchtigkeitsmenge auch wieder. Da die Kühlwassermenge im geschlossenen Zirkulationskreislauf nahezu konstant bleibt, kann das System als quasi geschlossenes System bezeichnet werden. Ein offener Zirkulationskreislauf mit niveaugeregeltem Wasserzulauf und Kondensatablauf gleicht Kondensations- und Verdunstungsmengen aus.

Alle GVM-Anlagen sind betriebsbereit mit allen Steuerungs-, Überwachungs- und Kühleinrichtungen ausgestattet. Sie werden serienmäßig über eine Vollast-Leerlauf-Regelung gefahren, können aber – wie im Falle Bübchen – zur kontinuierlichen Anpassung an schwankenden Druckluftbedarf auch über Frequenzumrichter Drehzahl geregelt betrieben werden. Ein Ansaugregler ermöglicht den entlasteten Anlauf und vermeidet Stromspitzen durch einen betriebswirtschaftlich günstigen Startvorgang.