Neue Kompressor-Technologien, die deutliche Beiträge zur Senkung der Betriebskosten und der CO₂-Reduzierung leisten, werden von den Anwendern gefordert und setzen sich schnell durch. Das überrascht nicht, denn der Markt hat relativ lange auf Impulse für eine bessere Drucklufterzeugung warten müssen: Kolben- und Turbokompressoren sind seit vielen Jahrzehnten bekannt, und das „jüngste" Verdichtungsprinzip, die Schraubenverdichter, kennt man auch schon seit rund vierzig Jahren. Ein neues, effizientes Verdichtungsprinzipien namens Quantima gibt der Drucklufttechnik auf hohem Qualitätsniveau neue wirtschaftliche Entwicklungsperspektiven.

Während in der Fachpresse über den selbstverständlichen energieeffizienten Einsatz übergeordneter Steuerungen für die herkömmlichen Kompressorstationen mit ihren Kolben-, Schrauben- und Turbokompressoren geschrieben wird und weitere konstruktive Verbesserungen diskutiert werden, haben die Konstrukteure des weltweit arbeitenden Kompressor-Herstellers Compair die Frage nach einer besseren Effizienz der Verdichtung von Luft mit einer Innovation beantwortet, die zu einer grundsätzlichen Veränderung in der Kompressoren-Technik führt: Mit Quantima soll ein neues Kapitel in dieser Technik beginnen, die wie keine andere in den Mittelpunkt der Energiespar- und CO₂-Diskussion geraten ist.

Die Lebenszykluskosten entscheiden

Bisher machten es sich die Druckluftanwender oft einfach, wenn sie im Vorfeld einer Investitionsentscheidung Preis- und Angebotsvergleiche bei Kompressoren anstellten. Kaufpreis X und Y wurden verglichen und das günstigere Angebot erhielt den Zuschlag.

Inzwischen wissen die Druckluft-Experten in den Betrieben, dass die Investitionssumme noch nicht einmal 15% der Lebenszykluskosten einer Druckluftanlage ausmacht. Der weitaus größte Anteil - nach aktuellen Berechnungen liegt er zwischen 65 und 82% - muss für die Energiekosten aufgebracht werden, und auch die Servicekosten schlagen mit einem nennenswerten Anteil zu Buche.

Das bedeutet: Maßgeblich für die Entscheidung unter Kostenaspekten ist der Energieverbrauch einer Kompressorstation. Hier können höhere Anfangsinvestitionen durchaus einen schnellen „Return on Invest" nach sich ziehen. Das lässt sich mit Zahlen belegen: Für einen typischen 75 kW-Kompressor, der pro Jahr 4000 Betriebsstunden mit 70% Auslastung und 20% Leerlaufbetrieb läuft, muss man pro Jahr mit Energiekosten von 18.400 € rechnen. Diese Summe basiert auf einem Strompreis von 8 ct/kWh.

Beträchtliche Einsparpotenziale

Schon für Betriebe mittlerer Größe in denen Kompressoren dieser Leistungklasse im Einsatz sind, ergeben sich beträchtliche druckluftbezogene Energiekosten - und ebenso hohe Einsparpotenziale. Nach einer Untersuchung des Fraunhofer ISI kann man in der Drucklufttechnik mit vorhandenen Technologien und in wirtschaftlich sinnvollen Amortisationszeiträumen bis zu 30% Energie einsparen. Dafür sind mehrere Faktoren zu beachten bzw. mehrere Maßnahmen zu ergreifen.

Basis: Zustandserfassung

Am Anfang einer systematischen Optimierung der Druckluftstation unter energetischen Gesichtspunkten steht immer die Zustandserfassung mit moderner Messtechnik. Mit Datenloggern werden über 8 bis 10 Tage Druckluftbedarf sowie die Last- und Leerlaufzeiten der Verdichter erfasst. Auf dieser Basis kann man eine Volumenstrom- und Leistungsmessung nach ISO 1217 Anhang C vornehmen, die Auskunft über den Wirkungsgrad der Verdichter gibt. Diese Messungen, die die Kundendienstspezialisten von Compair  in Zusammenarbeit mit den Projektingenieuren durchführen und auswerten, bilden eine fundierte Grundlage zur Konfiguration einer energieoptimierten Druckluftstation.

Leckagemessung und -beseitigung

Auch eine Energieverbrauchs- und eine Leckagemessung gehören zur umfassenden Zustandserfassung. Das kann erhebliche Einspareffekte nach sich ziehen: Selbst in gut gewarteten Druckluftnetzen gehen 10 bis 20 % der erzeugten Druckluft durch Leckagen verloren, teilweise sind es bis zu 40 %. Schon ein einzelnes Leck mit 5 mm Durchmesser führt in einem 6 bar-Netz zu einem Luftverlust von 30,95 l/s und zusätzlichen Energiekosten von fast 6.000 € (bei 8ct/ kWh Strom). Der Aufwand für Detektion und Beseitigen der Leckstellen amortisiert sich i.d.R. in wenigen Monaten.

Drucksenkung und Wärmerückgewinnung

Auch durch eine genaue Überprüfung des Systemsdrucks lässt sich Energie einsparen: Braucht man tatsächlich 8 bar? Reichen 7 bar? Wenn ja, werden - ohne Investition - 8 bis 10 % der druckluftbezogenen Energiekosten gespart. Auch durch Wärmerückgewinnung kann sich die Effizienz der Druckluftstation erheblich steigern, zumal es viele thermische Prozesse gibt, für die man die Abwärme nutzen kann. Bei öleingespritzten Kompressoren lassen sich 94 % der eingesetzten Energie als Wärme zurückgewinnen.

Im Fokus: Die Druckluftqualität

Es gibt viele sensible Produktionen, bei denen zumindest ein Teilstrom der Druckluft höchsten Qualitätsanforderungen gerecht werden muss, weil er z.B. als Sterilluft zur Belüftung von Fermentern in der Pharma- oder Lebensmittelproduktion, für Abfüll- und Verpackungsstraßen sowie in der Elektronikproduktion und Lackieranlagen eingesetzt wird. Hier muss das Prozess- und Arbeitsmedium Druckluft absolut ölfrei sein, und es stellt sich die Frage, ob man ölfreie Luft „erfiltert" oder direkt erzeugt. Dies wurde in der Vergangenheit sehr kontrovers diskutiert. Gegenüber stehen sich die aufwändige Entfernung der Öl-Aerosole aus der Druckluft und die bislang effizientere Verdichtung im ölgeschmierten Kompressor.

Pureair Kompressoren

Bei der Beurteilung der besten Methoden zur Bereitstellung ölfreier Druckluft muss die vor rund zwei Jahren von Compair  eingeführte Pureair-Baureihe mit neun Baugrößen betrachtet werden, mit der im Leistungsbereich von 0,71 m³/min bis 17,96 m³/min eine besonders energieeffiziente Erzeugung ölfreier Druckluft möglich ist.

Dabei wurde auf das bei konventionellen ölfreien Verdichtern genutzte Prinzip von zwei parallel angeordneten Schraubenpaaren verzichtet, das hohen fertigungstechnischen Aufwand verlangt und eine aufwendige Getriebetechnik benötigt. Stattdessen bilden eine Schraube aus einer Bronzelegierung sowie ein Paar Schieberrotoren aus kohlefaserverstärktem Kunststoff, die im 90^o-Winkel zum Hauptrotor angeordnet sind, das Herz des Pureair-Verdichterblocks.

Nahezu isothermische Verdichtung

Die Luft wird in zwei Kammern ober- und unterhalb des Hauptrotors komprimiert. Bei einer Drehzahl von nur 2.960 min^-1 erreichen die Verdichter einen Volumenstrom, für die herkömmliche Schraubensysteme bis zu 20.000 min^-1 benötigen. Dabei wird ein hoher Wirkungsgrad erreicht, denn die guten Kühleigenschaften des Wassers, das im Kreislaufsystem über einen integrierten Umkehrosmose-Filter gereinigt wird, halten die Verdichtungstemperaturen niedrig. Die Folge ist eine nahezu isothermische Verdichtung und ein sehr geringer Energieverbrauch. Zum effizienten Betrieb des Verdichters trägt auch der getriebelose Antriebsstrang bei: Die Regelelektronik übernimmt die Aufgaben eines ölgeschmierten mechanischen Getriebes. Das reduziert die Anzahl der mechanischen Komponenten und die Wartungskosten.

Besser als Klasse 1

Da die Druckluft den Kompressor 100% ölfrei mit nur etwa 38^oC Austrittstemperatur verlässt, verringert sich der Aufwand für die Aufbereitung erheblich. Zudem fallen wesentlich weniger umweltschädliche Stoffe an. Der Verdichterblock benötigt keinen Ölwechsel, es gibt keine ölhaltigen Teile, die entsorgt werden müssten. Damit die Druckluft, die von den Pureair-Verdichtern erzeugt wird, die Anforderungen „Besser als Klasse 1" der ISO 8573-1:2001 mit Blick auf den Gesamtölgehalt und die festen Verunreinigungen erfüllt, genügt ein Minimum an zusätzlicher Aufbereitung. Das spart Kosten, Energie und Serviceaufwand. Und die Produktionssicherheit ist höher, weil man nicht das Risiko eines Öldurchbruchs befürchten muss.

Quantima-Kompressoren

Mit der Pureair-Technologie führte Compair  ein neues Verdichtungsprinzip für die Erzeugung von kleineren bis mittleren Mengen ölfreier Qualitäts-Druckluft ein. Damit waren die Ideen der Forschung und Entwicklung jedoch nicht erschöpft. Anfang 2008 wurde die Quantima-Technologie vorgestellt, die mit Liefermengen von 26,7 m³/min bis 52,1 m³/min bei 7 bar in die Domäne großer Schraubenkompressoren und Turboverdichter eindringt. Im Unterschied zu den bisher verfügbaren „ölfreien" Verdichtern schafft die neue Technologie die Voraussetzung für den völligen Verzicht auf fluidische Schmier- und Kühlmittel und ist damit die im wahrsten Sinne des Wortes die „sauberste" Lösung zur Erzeugung ölfreier Druckluft.

Die Quantima-Maschinen nutzen ein einzigartiges Antriebs- und Verdichtungsprinzip: Ein High-Speed-Elektromotor treibt eine Rotorwelle an, die an beiden Seiten mit jeweils einem Impeller verbunden ist. Die direkt angetriebene Rotorwelle wird von adaptiven Magnetlagern völlig berührungslos geführt - ohne Getriebe, ohne Wälzlager, ohne Reibung, ohne Öl und ohne Verschleiß. Dabei werden variable Drehzahlen von bis zu 60.000 min^-1 erreicht.

Während andere Kompressoren mit einer Leistung von 300 kW einen typischen Geräuschpegel von 74 dB(A) oder mehr erreichen, bietet die Quantima-Technik im modularen Schalldämmgehäuse mit nur 69 dB(A) den niedrigsten Wert in dieser Klasse.

Das Quantimaprinzip

Die angesaugte Luft durchströmt zunächst einen hoch wirksamen Filter. Dann wird sie im ersten Impeller vorkomprimiert und über einen Zwischenkühler zum zweiten Impeller geführt, der den Betriebsdruck erzeugt. Über einen weiteren Kühler wird die Druckluft dann dem Netz zur Verfügung gestellt. Diese einfache getriebelose Bauweise sorgt für einen extrem hohen Wirkungsgrad. Das erweist sich als ein entscheidender Kostenvorteil im laufenden Betriebe aber auch bei der gesamten Investition, denn der Aufwand an Aufbereitungstechnik kann deutlich reduziert werden.

Ingesamt gesehen kann ein Anwender, der eine Quantima einsetzt, Energieein-sparungen von bis zu 25% erzielen. Dies ist - abgesehen von dem reibungsfreien und getriebelosen Antriebsstrang - u.a. darauf zurückzuführen, dass die Drehzahlregelung exakt die benötigte Druckluftmenge zur Verfügung stellt und der lastfreie Betrieb auf ein Minimum reduziert wird. Zudem benötigt ein Quantima-Kompressor im Leerlauf mit 2,5% nur einen Bruchteil der Energie, die ein herkömmlicher Schrauben- oder Turbokompressor im Leerlauf verbraucht.

Zuverlässigkeit und Effizienz über die gesamte Nutzungsdauer

Der Quantima -Betrieb wird durch das intelligente Steuer- und Regelungssystem Q-Master überwacht, das alle Systemparameter kontinuierlich erfasst und prüft. Das System erlaubt auch eine dezentrale Analyse und Diagnose der Kompressorleistung - eine wichtige Voraussetzung für die vorbeugende Wartung, die Compair  mit dem „Q-life"-Paket und der 10jährigen Gewährleistung anbietet.