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Ölfreie Druckluft für Tiefkühltorten

Coppenrath & Wiese setzt auf drehzahlgeregelte Kompressoren
Ölfreie Druckluft für die Produktion von Tiefkühltorten

Coppenrath & Wiese benötigt für die Herstellung seiner Tiefkühlbackwaren hohe Mengen an Druckluft. Im Zuge des Druckluftmanagements wurden in den vergangenen Jahren sukzessive ölfrei verdichtende, drehzahlgeregelte Kompressoren und intelligente Steuerungen von Atlas Copco eingeführt. Durch die Umstellung ist der Strombedarf bei den Druckluftkompressoren um 20 % gesunken. Zudem bindet die Oetker-Tochter die Kompressoren auch in die Wärmerückgewinnung ein.

Der Standort in Mettingen bei Osnabrück der Conditorei Coppenrath & Wiese KG wurde 1992 in Betrieb genommen und über die Jahre mehrmals erweitert. Heute werden in drei Hallen Kuchen, Torten und Brötchen gebacken, eingefroren und verpackt. Vor rund sieben Jahren hat der Spezialist für Tiefkühlkost, der seit 2015 zur Oetker-Gruppe gehört, mit dem Druckluftmanagement begonnen, das unter anderem eine regelmäßige Suche nach Leckagen und deren Behebung vorsieht.

Die Produktionslinien fordern viel Druckluft an, vor allem für die Zylinder und Ventile der Produktionsanlagen und Verpackungsmaschinen. Alle drei Werke zusammen – nummeriert mit CW2, CW3 und CW4 – benötigen im Schnitt gut 78 m3/min. Bis auf das Wochenende, dann sinkt der Bedarf auf etwa 10 %, weil nicht gebacken wird.

Umrüstung auf ölfrei verdichtende Kompressoren

Obwohl der Ausstoß kontinuierlich steigt, konnte Coppenrath und Wiese seinen Druckluftverbrauch in den vergangenen Jahren kontinuierlich senken. Dies liegt zum großen Teil auch an der sukzessiven Optimierung der drei Druckluftstationen samt Umrüstung auf ölfrei verdichtende, effiziente Kompressoren von Atlas Copco. „Wir haben die Druckluft hier traditionell mit öleingespritzten Kompressoren erzeugt und über Trockner und diverse Filter aufbereitet“, erklärt Wolfgang Menger, Energiemanager bei Coppenrath & Wiese. „Der Aufbereitungsaufwand war nicht unerheblich, sodass wir beschlossen, auf ölfreie Verdichtung umzusteigen.“

Der Startschuss fiel mit dem Bau der neuen Produktionshalle CW4, in der Brötchen und Blechkuchen hergestellt werden, zwei Produktgruppen, deren Nachfrage in den letzten Jahren stetig stark gestiegen ist. So ging in diesem Werk 2017 die erste Druckluftstation mit den komplett ölfrei verdichtenden Kompressoren ans Netz.

Mit dieser ersten Station, die drei kleinere Z-Kompressoren von Atlas Copco umfasst, hat Coppenrath & Wiese laut Menger sehr gute Erfahrungen gemacht. „2019 und 2020 haben wir dann die beiden großen Druckluftstationen CW2 und CW3 umgerüstet“, so Menger weiter. „Dafür stand uns bereits die allerneueste Technik von Atlas Copco zur Verfügung, die 2017 noch nicht auf dem Markt war: die ölfreien ZR-VSD+-Maschinen mit ihren sehr effizienten Permanentmagnetmotoren und der neuen Generation der Umrichter und Verdichterelemente, VSD+.“

In der Druckluftstation für die Produktion CW2 – die Anlage wurde 1992 in Betrieb genommen – stehen nun, seit etwa einem Jahr, drei ölfrei verdichtende und drehzahlgeregelte Kompressoren des Typs ZR 145 VSD+ FF mit jeweils 145 kW installierter Motorleistung sowie ein kleiner, luftgekühlter ZT 37 VSD FF mit 37 kW, der auf Notstrom läuft und für die Wochenendlast zuständig ist. „Im Sommer 2020 haben wir im nächsten Schritt die Druckluftstation in CW3 komplett erneuert“, berichtet Menger. Hier stehen nun zwei ZR 160 VSD+ FF und ebenfalls ein ZT 37 VSD FF sowie noch zwei alte Maschinen eines anderen Herstellers, die gegen zwei weitere ZR 145 VSD+ FF ausgetauscht werden sollen. Insgesamt werden damit in den Werken CW2 und CW3 zwölf alte Kompressoren durch die effizientere, ölfreie Technik von Atlas Copco ersetzt.

Permanentmagnetmotoren und intelligente Steuerung

Die neuen ZR-VSD+-Kompressoren verfügen über hochmoderne Verdichterelemente, ein neues Kühlerdesign sowie eine verbesserte Steuerung. Alle Komponenten sind in einem kompakten, schallisolierten Gehäuse untergebracht, sodass der ZR nur noch an das Stromnetz sowie die Druckluft- und Kühlwasserleitungen angeschlossen werden muss. Angetrieben werden die großen Kompressoren von je zwei leistungsstarken Permanentmagnetmotoren und den in dieser Baureihe erstmals eingesetzten Neos-Frequenzumrichtern zur Drehzahlregelung. Die Permanentmagnetmotoren erfüllen bereits heute die Referenzwerte der künftigen Effizienzklasse 5 (IE5). Zudem ermöglicht es das Atlas-Copco-eigene Konzept mit zwei Motoren und einem intelligenten Steuerungsalgorithmus, dass beide Verdichtungselemente mit unterschiedlicher Drehzahl laufen, was die Effizienz deutlich verbessert.

„Unser Energieverbrauch für die Drucklufterzeugung ist mit der Umrüstung der beiden großen Stationen in den Jahren 2019 und 2020 um etwa 20 % gesunken“, sagt Menger. „Und eine oder zwei Maschinen kommen ja in den nächsten Wochen noch hinzu, dann holen wir wirklich alles heraus, was geht!“ Da die ZR-Kompressoren neuerdings auch in die Wärmerückgewinnung eingebunden sind, sinkt die Energierechnung noch weiter. „Beim Gas sparen wir nun etwa 2 %“, ergänzt Menger. „Das hört sich vielleicht nicht viel an, aber wir brauchen hier zum Backen der Torten und Brötchen, zur Dampferzeugung für die Schwaden und die CIP-Reinigung schon sehr viel Gas.“

Wärmeenergie aus Verdichtungsprozess zurückgewonnen

„Allein aus der Verdichtungsenergie der drei ZR-Kompressoren in CW2 holen wir circa 125 kW an Wärmeleistung heraus“, erklärt der Energiemanager. „Damit erhitzen wir das Wasser, das für die tägliche Reinigung der Produktionsanlagen benötigt wird.“ Durch die Wärmerückgewinnung aus der Kälteanlage werde das Wasser auf die notwendige Temperatur von etwa 65 °C vorerwärmt.

In der Energiebilanz kommt zu den 125 kW aus der Station CW2 noch die Verdichtungswärme der Kompressoren im Werk CW3: „Dort heben wir damit die Temperatur im Heizungsrücklauf an“, sagt Menger. Die Idee für diesen Teil der Wärmenutzung sei noch recht frisch und machte zum Zeitpunkt dieses Berichts über 90 kW aus. „Um das möglich zu machen und auch zu messen, haben wir dann in diesem Jahr alle Kompressoren in unsere TGA-Prozesssteuerung und das Energiemonitoring eingebunden.“ (TGA = Technische Gebäudeausrüstung)

Effiziente Drehtrommeltrockner integriert

Die ZR-Kompressoren verfügen in der Full-Feature-Variante, wie sie in der Conditorei installiert sind, allesamt über einen eingebauten Drehtrommeltrockner der Ausführung MD 400 VSD. Diese spezielle Bauart eines Adsorptionstrockners hat Atlas Copco für Drucktaupunkte von bis zu –30 °C und das Zusammenspiel mit ölfrei verdichtenden Schraubenkompressoren entwickelt. Der MD erzeugt die hohe Druckluftqualität in Bezug auf die Restfeuchte besonders effizient – nämlich ohne Heizelemente, Gebläse und zusätzliche Energie. Stattdessen arbeiten die MD-Trockner nach dem „Heat-of-Compression“-Prinzip: Um das Adsorptionsmittel zu regenerieren, nutzen sie energetisch die Verdichtungswärme des Kompressors. Damit trocknen sie die Druckluft sehr effizient: Für ihren Betrieb sind nur etwa 120 W an elektrischer Leistung nötig und keine FCKW-haltigen Kältemittel. Die früher bei Coppenrath & Wiese verwendeten Kältetrockner arbeiteten mit einem Kältemittel und verbrauchten rund 40 mal so viel Energie wie die aktuellen integrierten Adsorptionstrockner.

Restfeuchte geht bei Drucktaupunkt von –25 °C gegen Null

Coppenrath & Wiese arbeitet mit einem Gesamtdrucktaupunkt von etwa –25 °C, zum Teil werden sogar –35 °C erreicht. Der Drucktaupunkt besagt, dass sich oberhalb der genannten Temperaturen keine Feuchtigkeit im Leitungssystem oder in den Maschinen niederschlagen kann. „Bei den Kältemitteltrocknern betrug der Drucktaupunkt 3 °C“, sagt Menger. Zwar habe das im Prinzip ausgereicht. Trotzdem fühle er sich mit dem nun sehr weit unter dem Gefrierpunkt liegenden Drucktaupunkt viel wohler – nicht nur wegen der höheren Effizienz, sondern auch, weil sich jegliche Partikel und Aerosole gern an Feuchtigkeit binden. Das führt dazu, dass der Adsorptionstrockner durch die höhere Entfeuchtung automatisch mehr unerwünschte Bestandteile aus der Druckluft herausholt als ein Kältetrockner, was wiederum die Filtertechnik entlastet.

Die Filtertechnik umfasst bei Coppenrath & Wiese übrigens auch in den neuen Druckluftstationen weiterhin je einen Aktivkohlefilter – nebst dem üblichem Staubfilter hinter jedem Kompressor: „Denn etwaige Kontaminationen der Außenluft, und seien sie noch so klein, dürfen auf gar keinen Fall in das Leitungsnetz und an die Produktionslinien der Sahnetorten oder Brötchen gelangen“, begründet Menger. Da die Kompressoren der Z-Serien absolut ölfrei arbeiten, tragen sie durch den Verdichtungsprozess keinerlei Öl oder Aerosole in den Luftstrom ein. Die Qualität der Druckluft gemäß ISO 8573-1, Klasse 0, habe der TÜV Atlas Copco auch per Zertifikat bestätigt.

Spezifischer Energieverbrauch sehr niedrig

Die Modernisierung der gesamten Drucklufterzeugung ergibt in Mettingen heute den sehr niedrigen spezifischen Energieverbrauch von nur 0,103 kWh/m3 – inklusive der eingebauten Adsorptionstrockner. „Früher lagen wir bei 0,125 kWh/m3, und das war noch ohne den Energieverbrauch unserer damals eingesetzten Kältetrockner gerechnet“, betont Menger. Die hohe Effizienz ist im Wesentlichen der druckabhängigen Regelung der neuen Kompressoren zu verdanken. „Heute haben wir viel weniger Starts und Stopps“, sagt der Energiemanager. „Die alten Maschinen waren nicht drehzahlgeregelt und hatten daher sehr viele Schaltspiele mit viel Leerlauf. Das ist heute nicht mehr so. Nun können wir in einem sehr engen Druckband im Bereich von 6,59 bis 6,61 bar fahren, also praktisch ohne Schwankungen.“ Die alten Kompressoren hätten bei 7,2 bar ein- und bei 7,8 bar ausgeschaltet. „Man kann also sagen, dass wir das Druckband grob um 1 bar gesenkt haben“, überschlägt Menger. Und jedes Bar weniger Druck senkt den Energiebedarf von Kompressoren um etwa 7 %.

Der Druck wird in allen Stationen von dem Optimizer 4.0 kontrolliert, der Industrie-4.0-tauglichen übergeordneten Steuerung von Atlas Copco. Er regelt den effizienten Einsatz aller Kompressoren und lastet sie innerhalb ihrer Stationen gleichmäßig aus. Zudem kann Menger die Verbrauchswerte für jede Maschine direkt am Optimizer sowie am PC ablesen: Volumenstrom, Energieverbrauch, Druckband, Betriebsstunden mit Auslastung und mehr. Das macht Effizienzsteigerungen sichtbar und erlaubt kontinuierliche Prozessverbesserungen im Sinne der ISO 50001.

Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH, Essen


Autor Thomas Preuß

Journalist

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