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Niederdruck-Turbos sparen jährlich 600.000 Euro

2009-08-14

Mit einer neuen Niederdruck-Druckluftstation, in der sechs drehzahlgeregelte, ölfrei verdichtende Turbo-Kompressoren arbeiten,spart die Bleihütte der Weser-Metall GmbH in Nordenham jährlich bis zu 600.000 Euro an Energiekosten. Die Kompressoranlage zeichnet sich durch eine regelungstechnische Finesse aus: Als Führungsgröße zieht die Steuerung den Volumenstrom heran und nicht, wie sonst üblich, den Druck.

Blei-Recycling mit volumenstromgeregelter Druckluftstation

Atlas Copco Germany - Wesermetall Druckluftstation

Den Container mit den sechs direkt nebeneinander angeordneten Kompressoren hat die Projektabteilung von Atlas Copco eigens für Weser-Metall konzipiert.


Essen/Nordenham, Mai 2009  „500.000 bis 600.000 Euro an Energiekosten sparen wir pro Jahr mit unserer neuen Druckluftstation“, sagt Dipl.-Ing. Timo Tesch, der als Leiter Konstruktion/Verfahrenstechnik/Nebenbetriebe bei der Weser-Metall GmbH in Nordenham unter anderem für den Neubau der Druckluftversorgung zuständig ist. Weser-Metall ist auf das Recycling von Blei vor allem aus Akkumulatorenschrott und Batteriepaste spezialisiert. Clou der Druckluftstation mit insgesamt sechs neuartigen ölfreien Niederdruck-Turbokompressoren der drehzahlgeregelten Bauart ZB VSD (Variable Speed Drive) von Atlas Copco ist ihre Betriebsweise. Denn anstatt druckgeregelt, wie normalerweise üblich, funktioniert sie volumenstromgeregelt. Und das in einem Bereich zwischen 1500 und 10000 Nm3 (Norm-Kubikmeter) pro Stunde mit bis zu 1,95 bar Betriebsüberdruck.

Niederdruckluft rund um die Uhr

Die Luft der Turbos wird in der Bleihütte dreischichtig rund um die Uhr als Prozess- und Nachverbrennungsluft benötigt. Die Prozessluft wird zusammen mit Erdgas und Sauerstoff durch eine in die Schmelze eingetauchte Lanze geblasen und hält den metallurgischen Prozess im Badschmelzofen in Gang. Parallel dazu wird noch sogenannte Nachverbren­nungs­luft in den Ofenraum über dem Schmelzbad eingeleitet, um sicherzustellen, dass keine reaktiven Komponenten – wie beispielsweise unverbranntes Erdgas – ins Abgas gelangen. Dass die ZB-Turbos ölfreie Druckluft liefern, sei zwar keine verfahrens­technische Notwendigkeit, sagt Timo Tesch, „aber ein durchaus angenehmer Nebeneffekt“.
Als die Nordenhamer Bleihütte 1996 vom bis dato praktizierten koksbefeuerten Schachtschmelzofenverfahren auf das wesentlich umweltfreundlichere erdgasbefeuerte Badschmelzofenverfahren umstieg, wurde zunächst ein zweistufiger Turboverdichter (erste Stufe 0,82 bar; zweite Stufe 2,8 bar) für die Prozess- und Nachverbrennungsluft installiert. Der sei in seiner Leistung von Anfang an ein bisschen überdimensioniert gewesen, sagt Timo Tesch, und im Laufe der Zeit habe sich immer mehr gezeigt, dass er mit seiner Regelungsweise via Abblaseventil eine „echte Energievernichtungsmaschine“ sei. „Letztendlich war mit dem Ansteigen der Energiepreise und dem zunehmenden Alter des vorhandenen Verdichters unsere Schmerzgrenze überschritten“, klagt Tesch. „Wir wussten, es gibt bessere Technologien zur Drucklufterzeugung.“

Volumenstromregelung ist ein Muss

Atlas Copco Germany - Wesermetall Monitor zentrale Steuerung

Monitor der zentralen Steuerung mit einer schematische Darstellung der Druckluftstation


Die beste für diesen Zweck fand man schließlich in den damals nagelneuen ZB-Turbokompressoren mit VSD-Direktantrieb von Atlas Copco. Das Problem für Weser-Metall: Es gab noch keinerlei Referenzen für derartige Anwendungen. Zwar waren damals bereits ZB-Turbos beispielsweise in Klärwerken im Einsatz, doch immer nur druck- und nicht volumenstromgeregelt. „Unsere Anforderungen sind aber ganz andere“, betont Timo Tesch, und schildert kurz die Vorgänge im Badschmelzofen: Die Lanze taucht im Ofen in die flüssige Schlacke ein; diese hat unterschiedliche Konsistenz. Je kälter, desto zäher ist sie. Auch verschleißt die Lanze und wird mal mehr, mal weniger tief eingetaucht. Dies und andere Einflüsse bedingen, dass der Gegendruck an der Lanzenspitze schwankt. „Um aber den metallurgischen Prozess sicher im Griff zu haben, ist es für uns unbedingt notwendig, dass wir jederzeit sicher einen bestimmten konstanten Volumenstrom zur Verfügung stellen können“, sagt Tesch, „auch und gerade wenn sich die Betriebsbedingungen manchmal sehr schnell ändern.“ Deshalb muss ab und zu der Operator eingreifen, der den metallurgischen Prozess ständig in einer Leitwarte überwacht, und den Volumenstrom nachregeln. Das kann mehrmals pro Stunde sein oder einmal am Tag. Doch wenn das der Fall ist, muss es immer schnell gehen. Unter Umständen sind dann schlagartig bis zu 3000 Nm3 weniger oder mehr Volumenstrom gefordert.

Vorreiterrolle dank Risikobereitschaft

Trotz der fehlenden Referenzen für die ZB-Turbos habe man sich schließlich für diese neue Technologie entschieden, sagt Timo Tesch, denn er sah bei diesen drehzahlgeregelten Niederdruck-Kompressoren die mit Abstand besten Möglichkeiten zur Energie­einsparung. „Um Vorreiter zu sein, muss man manchmal auch ein Risiko eingehen.“ Das teilte man sich mit Atlas Copco. Denn die Projektingenieure der Essener erarbeiteten gemeinsam mit den Weser-Metall-Verantwortlichen das Konzept für den Aufbau der neuen Druckluftstation. Dabei sei die größte Herausforderung gewesen, eben den Volumenstrom – und nicht den Druck – als Führungsgröße für die Steuerung der Kompressoren zu nehmen, betont Tesch. Auch galt es, die übergeordnete, autark als Insellösung funktionierende Steuerung der gesamten Druckluftstation so mit den Elektronikon-Steuerungen der einzelnen Kompressormodule zu verknüpfen, dass diese problemlos funktionieren und miteinander kommunizieren. Oberste Priorität bei allen Betriebs­zuständen sollte haben, den jeweils energetisch optimalen Betriebspunkt anzusteuern. Dazu müssen die einzelnen Module auf intelligente Weise rechtzeitig zu- und abgeschaltet werden. „All das war eine sehr komplexe Angelegenheit, die ihre Zeit brauchte, bis sie so konfiguriert war, wie wir sie letztendlich jetzt haben“, sagt Timo Tesch.

Übergeordnete Steuerung

Atlas Copco Germany- Wesermetall Westphal Manthey

Weser-Metall Geschäftsführer Dr. Reimund Westphal und Dr.-Ing. Jens Manthey


Das Resultat ist die heutige Druckluftstation mit ausschließlich drehzahlgeregelt arbeitenden Kompressoren. Die Prozessluft liefern jetzt vier Turbos der Bauart ZB 160 mit je einem Volumenstrom von maximal 3350 Nm3 und bis zu 1,95 bar Überdruck; die Nachverbrennungsluft kommt von zwei Turbos ZB 100 VSD, die jeweils einen Volumen­strom von bis zu 4650 Nm3 liefern können und einen Überdruck von maximal 0,8 bar erreichen. Das Zusammenspiel der Turbos regelt eine übergeordnete Steuerung, die auch einen ausgeglichenen Betrieb der Maschinen sicherstellt und an das Prozessleitsystem des Badschmelzofens angebunden ist. „Die Steuerungssoftware von Atlas Copco funktioniert ausgezeichnet. Alle Daten der Druckluftanlage lassen sich sehr gut auslesen und visualisieren“, lobt Tesch. Speziell die Möglichkeiten zur Auswertung der Messwerte und der Kurvendarstellung mit der Siemens-PC-S7-Steuerung seien hervorragend.
Befragt nach den größten Vorteilen, welche die neuen ZB-Kompressoren gegenüber der Vorgängeranlage bieten, die (noch) als Notfallreserve installiert ist, nennt Timo Tesch die folgenden vier für ihn wichtigsten Punkte: (1) die drastischen Energieeinsparungen, (2) die kompakte Modulbauweise der gesamten Anlage, (3) den verschleißarmen, ölfreien Betrieb der Kompressoren sowie (4) deren geringe Lärmentwicklung.
Zu 1. Die Energieeinsparungen belaufen sich, wie oben angerissen, sage und schreibe auf jährlich 500.000 bis 600.000 Euro. „Uns ist wichtig, dass wir keine Druckluft sinnlos abblasen müssen, denn damit würden wir sehr viel Energie und Geld vernichten. Stattdessen soll alles, was wir an Luft produzieren, auch bei uns in den Ofen kommen und dort genutzt werden“, betont Tesch. Dazu gehöre auch, dass die ZB-Turbos energiesparend ganz abgeschaltet werden können, wenn der Badschmelzofen anlässlich des im Schnitt einmal pro Tag fälligen Lanzen­wechsels eine Stunde systembedingt stillsteht. „Den alten Turboverdichter mussten wir immer durchlaufen lassen, weil wir nach einem Stillstand oft Schwierigkeiten hatten, ihn wieder in Betrieb zu nehmen.“
Zu 2. Die kompakte Modulbauweise. Alle sechs ZB-Turbos sind zusammen als komplette Druckluftstation in ein containerartiges Gehäuse eingebaut, das auf einer Bühne in 14 m Höhe über der alten Kompressoranlage installiert wurde. Tesch: „Die neue Druckluftstation benötigt nur etwa die Hälfte an Bauvolumen wie der alte Turboverdichter.“ Die Installation der kompakten Neuanlage war binnen eines Tages möglich, da der gesamte Druckluft­container – eigens von den Atlas-Copco-Projektingenieuren für Weser-Metall erdacht und entwickelt – mit allen internen Verrohrungen und Verkabelungen auf einem benachbarten Grundstück vorgefertigt werden konnte. Der Container brauchte schließlich nur noch per Kran an seinen Aufstellort befördert und dort mit den bereits vorbereiteten Anschlüssen verbunden zu werden. Auch in Sachen Redundanz ist die Modulbauweise von Vorteil. Tesch: „Selbst wenn ein oder zwei Module ausfallen sollten, sind wir immer noch in der Lage, den Badschmelzofen im Normalbetrieb am Laufen zu halten.“
Zu 3. Die ZB-Turbos haben verschleiß- und absolut ölfreie Magnetlager. Es gibt kein Getriebe, da das Turbo-Laufrad direkt auf der Welle des Hochgeschwindigkeits-Permanentmagnetmotors sitzt. Weil bei diesem Direktantrieb keine Verluste durch Lagerreibung anfallen, kommt er auf beste spezifische Leistungsaufnahmen und im Vergleich zu ähnlichen Geräten auf einen sehr hohen Gesamtwirkungsgrad. Die Maschinen arbeiten mit dieser Konstruktion verschleißfrei, was die Wartungskosten niedrig hält. Das liegt auch daran, dass es keinen störanfälligen und damit wartungs­intensiven Eintrittsleitapparat zur Regulierung des Volumenstromes gibt. Geregelt wird bei allen ZB-Maschinen ausschließlich über die Drehzahl. Angenehmer Nebeneffekt dieses Antriebskonzepts: Es sind überhaupt keine Schmierstoffe mehr nötig, so dass auch kein Öl in den Verdichter gelangen und die Luft nicht verunreinigt werden kann.
Zu 4. Die geringe Lärmbelästigung. Kein Kompressor arbeitet geräuschlos; doch mit beispiels­weise nur 67 dB(A) für einen ZB 100 VSD sind die neuen Turbos so leise, dass man sich im Druckluftcontainer noch gut unterhalten kann. „Neben der alten Anlage war dagegen keine Verständigung möglich“, sagt Timo Tesch.
Was den alten zweistufigen Turbokompressor angeht, sei geplant, ihn in absehbarer Zeit zu demontieren, blickt Tesch voraus. Denn irgendwann werde die Ersatzteilversorgung schwierig. Außerdem könne man sich dann auch die regelmäßig notwendigen Probeläufe sparen, die derzeit noch die Einsatzbereitschaft des alten Turbos im Notfall garantieren sollen.

Pilotanlage mit Happyend

Atlas Copco Gerrmany - Wesermetall Badschmelzofen

Ein Mitarbeiter der Weser-Metall mist die Temperatur am Schlackenstich des Badschmelsofens


Teschs Fazit: „Die neue Druckluftanlage ist jetzt so flexibel, leistungsbereit und bedienungsfreundlich, dass sie unsere zugegeben hohen Ansprüche erfüllt. Eine derartige Anlage ist meines Wissens weltweit einzigartig.“ Beide Seiten, Weser-Metall und Atlas Copco, seien ein hohes Risiko eingegangen, indem sie Neuland betreten hätten. Zwar habe man zwischenzeitlich auch Durststrecken durchlaufen, „das bleibt bei so einem Projekt nicht aus“. Doch habe es schließlich ein Happyend gegeben, auf das alle Beteiligten stolz sein dürften. „Und der Spaß, den einem der Aufbau so einer Pilotanlage bereitet, ist sowieso unbezahlbar“, schmunzelt Timo Tesch.

Ja, auch wir sind an Einsparungen in der Druckluftversorgung interessiert


AC Germany Thorsten Poggenmöller Systemspezialist Niederdruck

Thorsten Poggenmöller

Systemspezialist Niederdruck-Kompressoren

Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH

Langemarckstraße 35
45141 Essen

Christioph Angenendt

Referent Marketing Kommunikation

Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH

Langemarckstraße 35
45141 Essen