Einführung und Grundlagen #
Einführung #
Auf Druckluftsysteme ist fast jeder produzierende Betrieb im Handwerk angewiesen. Ob in Verfahren eingebunden als Prozessluft, als Antrieb von Motoren oder Transportmedien, etc., die Einsatzmöglichkeiten von Druckluft im Handwerk sind sehr vielfältig.
Neben dieser Vielfalt bietet die Druckluft noch weitere Vorteile: sie ist zuverlässig, betriebssicher, robust, die Anlagen haben eine hohe Lebensdauer und sind kostengünstig in der Anschaffung.
Diesen Vorteilen steht allerdings auch ein hoher Kostenfaktor im Betrieb gegenüber. Die aufwändige Herstellung der komprimierten Luft führt dazu, dass mehr als zwei Drittel der Lebenszykluskosten von Druckluftanlagen durch den Energieverbrauch (gegenüber Investitions- und Wartungskosten) entstehen. Bei der Entscheidung über den Einsatz von Druckluft müssen diese Vor- und Nachteile abgewogen werden.
Als Hilfestellung hierzu werden im Folgenden die Grundlagen der Druckluft, ihre Einsatzbereiche und Effizienzpotentiale sowie Hilfsmittel für deren Realisierung erläutert.
Grundlagen und Einsatzbereiche #
Druckluft bezeichnet komprimierte atmosphärische Luft. Sie wird als Energieträger, beispielsweise zum Betrieb von Druckluftbremsen bei Schienenfahrzeugen oder zum Antrieb von Maschinen genutzt. Darüber hinaus werden Reinigungsarbeiten sowie Arbeiten unter Atemschutz (Druckluft als Atemgas) mit Hilfe von Druckluft durchgeführt. Auch zur Kühlung oder zur Stickstofferzeugung wird Druckluft verwendet. Typische Druckluftwerkzeuge (vor allem in der Metallbranche) sind: Ausblaspistolen, Bohrmaschinen, Drehschrauber, Karosseriesäge, Lackierpistolen, Strahlgeräte oder Winkelschleifer.
Entsprechend dem Verwendungszweck wird Luft mit Verdichtern (sog. Kompressoren) auf einen höheren Druck gebracht und je nach Anwendungsfall unterschiedlich behandelt. Der Energieaufwand beim Verdichten der Luft ist enorm, da viel Wärmeenergie entsteht, die meist ungenutzt bleibt. Zur Druckluft-Erzeugung werden im Wesentlichen zwei unterschiedliche Systeme genutzt: Kolbenkompressor oder Schraubenverdichter. Die Auswahl des geeigneten Systems hängt stark von den individuellen Bedarfen der Unternehmen ab. Kolbenkompressoren finden dann Anwendung, wenn von einem diskontinuierlichen sowie einem Druckluftbedarf von über 10 bar ausgegangen wird. Schraubenkompressoren hingegen werden verwendet, wenn ein kontinuierlicher Druckbedarf von 5 bis 10 bar vorliegt.
Ein Druckluftsystem ist in der Regel wie folgt aufgebaut
Aufbau eines Druckluftsystems #

Quelle: http://www.drucklufttechnik.de/
Copyright: http://www.drucklufttechnik.de/
Beschreibung: Funktionsprinzip Druckluftanlage
Systeme in Betrieben und Potentiale #
Effizienzpotentiale und Einsparmöglichkeiten #
Der kostenintensiven Querschnittstechnologie Druckluft werden in Fachkreisen Einsparpotentiale von rund 30% ihrer Kosten zugesprochen. Es gibt verschiedene Stellhebel und Maßnahmen, die zur Realisierung dieser Potentiale herangezogen werden können. Diese werden im Folgenden erläutert.
Druckniveau: Durch Verminderung des Druckniveaus um 1 bar können 5-10% der notwendigen Energie eingespart werden. Möglichkeiten zur Umsetzung der Druckminderung können sein:
- Betriebsdruck hinterfragen und ggf. nach unten korrigieren
- bei einzelnen Verbrauchern mit benötigtem hohen Druck, dezentrale Druckerhöher, so genannte Druck-Booster verwenden
- Substitution von Hochdruckanwendungen
- Strömungswiderstände vermeiden
- Filter regelmäßig reinigen oder wechseln
- druckverlustarme Kupplungen verwenden.
Leckageverluste: Leckagestellen im Druckluftgesamtsystem, in Verteilerleitungen oder an den diversen Anschlussstellen, Kupplungen, etc., führen zu hohen Kostenverlusten. Durch deren Senkung können bis zu 50 % Energie eingespart werden. Die Identifizierung von Leckagen im Druckluftsystem erfolgt oft über Ultraschallmessungen oder mit Hilfe sog. Leckagesprays.

Quelle: http://druckluft-effizient.de
Copyright: http://druckluft-effizient.de
Beschreibung: Leckagekosten in Abhängigkeit von Betriebsdruck und Lochdurchmesser
Jährliche Energiekosten, die durch Leckage entstehen können (6.000h Laufzeit im Jahr, Strompreis 14 Cent/kWh).
Musterberechnung von Druckluftverlusten #
Hier finden Sie eine Musterberechnung zur Endenergieeinsparung und C02-Emissionen Verlusten bei Druckluftleckagen in einem KfZ-Betrieb.
Der Musterberechnung liegen real existierende, Vor-Ort aufgenommene Daten zu Grunde, welche anonymisiert wurden.
Einsparpotentiale #
Leitungsmaterialien und -dimensionierung
Die Art und Beschaffenheit der Leitungsmaterialien knüpft direkt an die Verminderung der Leckageverluste an. Um Ineffizienzen der Druckluftleitungen zu vermeiden, sollten idealerweise korrosionsbeständige Rohre aus Kunststoff, Edelstahl oder Aluminium sowie robuste, flexible Schläuche mit Gewebeeinlage aus PVC, PUR oder Gummi verwendet werden. Darüber hinaus spielt die richtige Dimensionierung der Rohrleitung eine wichtige Rolle bei der Verhinderung von Verlusten. Generell sollte die Nennweite der Druckluftleitung möglichst groß sein, da Druckverluste vor allem durch zu klein bzw. zu eng dimensionierte Druckluftleitungen entstehen. Eine richtige Dimensionierung führt zu 5-10 % Energieeinsparung pro bar.
Die Art und Beschaffenheit der Leitungsmaterialien knüpft direkt an die Verminderung der Leckageverluste an. Um Ineffizienzen der Druckluftleitungen zu vermeiden, sollten idealerweise korrosionsbeständige Rohre aus Kunststoff, Edelstahl oder Aluminium sowie robuste, flexible Schläuche mit Gewebeeinlage aus PVC, PUR oder Gummi verwendet werden. Darüber hinaus spielt die richtige Dimensionierung der Rohrleitung eine wichtige Rolle bei der Verhinderung von Verlusten. Generell sollte die Nennweite der Druckluftleitung möglichst groß sein, da Druckverluste vor allem durch zu klein bzw. zu eng dimensionierte Druckluftleitungen entstehen. Eine richtige Dimensionierung führt zu 5-10 % Energieeinsparung pro bar.
Die wichtigsten Auslegungskriterien für das Druckluftnetz sind: Volumenstrom, Betriebsdruck, Leitungslänge und Druckabfall.
Substitution der Druckluft
Die Substitution von Druckluft, also letztlich die Vermeidung von Druckluftgebrauchs in Prozessen oder Verfahren, führt natürlich zu Einsparungen. Neben speziellen Verfahren, die ggf. durch andere Techniken ersetzt werden können, bieten vielmehr alltägliche Situationen in Unternehmen Einsparmöglichkeiten. Das Reinigen von Maschinen, Werkstücken oder Arbeitsplätzen mit Druckluft ist oft gängige Praxis in Unternehmen. Durch die Vermeidung des Gebrauchs von Druckluft in solchen Fällen, kann oft ein Einsparpotenzial von bis zu 15 % der Energiekosten realisiert werden.
Abschalten der Anlagen
Das komplette Abschalten anstelle von Stand-by-Zuständen von Kompressoren und Trocknern bei Betriebsstillständen, am Wochenende, an Feiertagen, etc., erhöht die Lebensdauer der Anlagen und vermindert Ineffizienzen durch bspw. Leckagen oder ähnliches.
Wartung
Regelmäßige Wartung der Kompressoren, Filter, Armaturen und Ventile reduziert Ineffizienzen und erhöht die Lebensdauer der Anlage.
Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) mit Druckluft
Die Kraft-Wärme-Kopplung, also die gekoppelten Erzeugung von Wärme und Strom durch Verbrennen von beispielsweise Erdgas, ist bereits eine etablierte Technologie. Ein relativ neuer Ansatz ist die gekoppelte Erzeugung von Wärme und Druckluft. In diesem Fall ist dem Motor kein Stromgenerator nachgeschaltet, sondern ein Schraubenverdichter, der aus der Motorenenergie Druckluft erzeugt. Dadurch ist es möglich, Wärme und Druckluft energetisch effizient mit thermischen Wirkungsgraden um 85 % zu erzeugen. Die Anlagen können sich je nach Nutzungszeit bereits nach wenigen Jahren amortisieren. Wichtig hierbei ist ein zeitgleicher Bedarf von Wärme und Druckluft. Weitere Informationen finden Sie unter den angegebenen Links im Bereich „Hilfsmittel & Tools“.
Abwärmenutzung
Bei der Herstellung von Druckluft entsteht ein hohes Abwärmeaufkommen, welches oft ungenutzt in die Umwelt entweicht. Dabei liegt in der Abwärme ein hohes Einsparpotenzial, oft von bis zu 90%. Die Abwärme kann zur Unterstützung der Raumheizung genutzt werden oder, über einen Wärmetauscher, als Warmwasser für bspw. die Unterstützung der Zentralheizung oder für das Brauchwasser.
Die folgende Abbildung zeigt die Wärmeverteilung in einem Schraubenkompressor mit Öleinspritzkühlung.
Abwärme eines Schraubenkompressors #

Quelle: http://www.drucklufttechnik.de
Copyright: http://www.drucklufttechnik.de
Beschreibung: Abwärme eines Schraubenkompressors
Hilfsmittel & Tools #
Theoretische Leckageabschätzung #
Eine überschlägige Ermittlung des Leckagevolumens ist über eine einfache Messung des Druckabfalls in pro- duktionsfreier Zeit bei abgesperrter Zuleitung möglich. Eine monetäre Bewertung kann über die Druckluft- kennzahl und die entsprechende Betriebszeit erfolgen. Die Druckluftkennzahl beschreibt den spezifischen Energiebedarf einer Druckluftanlage (Dimension: kWh/m³).

Quelle: https://www.ihk-nuernberg.de/
Copyright: https://www.ihk-nuernberg.de/
Beschreibung: Theoretische Leckageabschätzung
Checkliste: Druckluftanlage #
Zur Identifikation von Einsparpotenzialen bei Druckluftanlagen können Checklisten dienen. Verschiedene Bereiche der Anlage werden hierbei systematisch beurteilt. Eine exemplarische Checkliste finden sie hier:
1. Wahl des Kompressors
- Gute Auslastung (über 60 %)
- Der Kompressor weist ein Last/Leerlaufverhältnis von mehr als 80 % auf
- Der Trockner ist nach dem Druckluftbehälter angeschlossen
- Der Trockner steht in einem kalten Bereich
- Der Trockner wird drehzahlgeregelt
2. Laufzeiten des Kompressors
- Die Druckluftanlage wird abgeschaltet, wenn keine Druckluft mehr benötigt wird (Wochenende, Feiertag, Arbeitsschluss)
- Der Leerlauf bei Schraubenkompression wurde minimiert
- Bei mehreren Kompressoren: Eine übergeordnete Steuerung ist auf den aktuellen Bedarf angepasst worden
- Es erfolgt ein automatisches Abkoppeln von Teilsträngen im Stillstand
3. Leckagen
- Der Kompressor läuft nicht, wenn kein Druckluftbedarf besteht
- Die Laufzeiten der Kompressoren werden regelmäßig kontrolliert
- Weniger als 20 % der Rohrverbindungen sind geschraubt oder geflanscht, der Rest ist geschweißt, gelötet oder geklebt
- Das Rohrmaterial ist korrosions- und oxidationsfest
- Vorhandene Armaturen und Kupplungen sind verlustarm
- Der Druckluftverlust beträgt weniger als 10 %
- Das Druckluftnetz (Werkzeuge, Maschinen und Leitungen) wird regelmäßig auf Leckagen geprüft (monatlich)
- Leckagen werden sofort beseitigt
4. Druckhöhe
- Die Druckhöhe ist auf die an den Maschinen und Werkzeugen notwendige Druckhöhe eingestellt (Hersteller nach optimaler Druckhöhe fragen)
- Die Druckspreizung ist optimal eingestellt
- Das allgemeine Druckniveau wird durch Nachverdichter reduziert
- Bei zeitlich unterschiedlichen Anforderungen ist das Druckluftnetz mit zeitlich abschaltbaren Einzelsträngen versehen
- Druckluft wird nur für wirklich notwendige fertigungstechnisch vorgesehene Aufgaben eingesetzt
5. Druckverluste in der Leitung
- Die Filter werden regelmäßig gereinigt bzw. ausgetauscht (allgemein nach 8.700 Betriebsstunden / einmal pro Jahr, Aktivkohlefilterelemente nach 1.500 Betriebsstunden / alle drei Monate)
- Der Filtrationsgrad ist so gewählt, dass keine bessere als die tatsächlich benötigte Druckluftqualität erreicht wird
- Das Leitungszubehör ist so gewählt, dass der Druckverlust möglichst gering ist
- Leitungen und Schläuche sind geradlinig und mit ausreichendem Durchmesser verlegt
- Spiralschläuche werden nur in geringem Maße eingesetzt, die Regel sind gerade PU-Schläuche
- Die Schläuche sind so kurz wie möglich, es befinden sich keine Knoten oder Flickstücke in den Schläuchen
6. Wartung
- Es gibt einen verantwortlichen Anlagenbetreuer
- Es gibt einen Wartungsplan und es werden regelmäßig Wartungen und Funktionskontrollen durchgeführt
- Der Betriebsstundenzähler wird monatlich abgelesen und ausgewertet
- Es wurde ein Wartungsvertrag abgeschlossen
7. Umgebungsbedingungen
- Die Luft wird nicht aus dem Aufstellungsraum der Kompressoren angesaugt
- Die angesaugte Luft ist so kühl und sauber wie möglich
8. Wärmerückgewinnung
- Die Kompressorabwärme wird zur Wärmerückgewinnung genutzt (nur bei Anlagen > 11 kW Leistung)
Praxisbeispiele #
Praxisbeispiel Berechnung Druckluftleckagen im KfZ-Betrieb
Quellen #
- http://www.energieagentur.nrw.de/unternehmen/druckluft-3907.asp
- http://www.drucklufttechnik.de/
- http://www.druckluft-effizient.de/downloads/fakten/fakten-00-09.pdf
Druckluft effizient, Fraunhofer ISI, Karlsruhe, August 2003 - https://www.energie-und-management.de/nachrichten/alle/detail/druckluft-erzeugen-ohne-strom-111911
- http://www.kwk-kompressor.de/