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Drehzahlgeregelter Kompressor puffert Verbrauchsschwankungen bei Bitburger

2007-07-18

Sparsame Spitzen-RegelungUm die starken Schwankungen im Druckluftverbrauch bedienen zu können, hielt die Bitburger Brauerei bis vor drei Jahren einige Kompressoren vor, die bei Bedarfspitzen Druckluft zulieferten. Der anschließende Leerlauf kostete viel Energie. Durch eine bessere Steuerung und den Einsatz eines drehzahlgeregelten Kompressors spart man nun rund 27 Prozent Strom. 



Zwischen 16 und 18 Millionen Norm-Kubikmeter Druckluft hat die Bitburger Braugruppe GmbH zuletzt im Schnitt pro Jahr am Standort Bitburg erzeugt. Würde dieses Volumen in Bier ausgeschenkt, der Gerstensaft stünde auf der Fläche eines Fußballfeldes über zwei Kilometer in die Höhe – um sich bei der Expansion auf das Sechs- bis Zehnfache auszudehnen. 

„Wir brauchen Druckluft in drei Qualitäten", erklärt Klaus Neumann, Abteilungsleiter Technische Infrastruktur bei Bitburger: Förderluft für den Treber, Steuerluft für den Betrieb von Armaturen, Automatisierungskomponenten oder Handwerkzeugen sowie Sterilluft zur Oxidation in der Wasseraufbereitung und zum Belüften der Würze. 

Um diese unterschiedlichen Luft-Qualitäten zu erhalten, verdichten derzeit sieben Kompressoren mit einer Gesamtkapazität von rund 12000 m3 pro Stunde die Umgebungsluft zunächst in ein gemeinsames Erzeugungsnetz. Von dort wird die Druckluft unterschiedlich aufbereitet: „Die Treber-Förderluft unterliegt keinen besonderen Anforderungen", klärt Klaus Neumann auf. Diese Treber, die ausgelaugten Rückstände des Malzes nach dem Würzeklären, werden per Druckluft aus dem Pufferbehälter in einen Silo gefördert. Von dort werden sie für die Futternutzung in der Viehzucht abgeholt. 

Die Treberluft kann daher ohne Aufbereitung direkt aus dem Netz abgezogen werden. Ganz egal ist die Qualität aber nicht: Alle Kompressoren bei Bitburger sind ölfrei verdichtend, wie Neumann herausstreicht. „Das fordern unsere schon hohen internen Qualitätsanforderungen", betont der Techniker. „Selbst wenn ein klitzekleiner Tropfen Öl den Geschmack überhaupt nicht beeinträchtigte, so könnte er sich doch verheerend auf die Schaumstabilität auswirken." Diese Gefahr will Bitburger für alle seine Biere ausschließen. Und damit ist letztlich auch das Viehfutter ohne jegliche Rückstände. 

Etwas höher sind die Anforderungen an die Steuerluft für Armaturen und Ventile. Sie wird über einen Kältetrockner auf einen Drucktaupunkt von 3 °C gebracht, um Kondensatausfall im Druckluft-System zu vermeiden. Entweder treibt sie in dieser Qualität direkt die Automatisierungskomponenten an, oder sie wird zusätzlich über einen Adsorptionstrockner auf einen Drucktaupunkt zwischen -40 °C und -60 °C gebracht. Dann dient sie dem Einsatz in den Kalt- und Außenbereichen. „Im Gär- und Lagerkeller wollen wir die Eisbildung in den Druckluftleitungen und Schläuchen vermeiden", erklärt Neumann die Bedeutung dieser zusätzlichen Stufe. 

Bleibt schließlich die Steril- oder Prozessluft. Sie stellt mit gut 45 % den größten Druckluftverbraucher, gefolgt von der Steuerluft mit knapp 45 % und der Treberluft mit gut 10 %. An die Sterilluft stellt Bitburger die höchsten Anforderungen. „Überall, wo die Luft mit Produkt in Berührung kommt, muss sie steril sein", betont Klaus Neumann, „und dabei gilt bei uns auch das Wasser als Produkt." So muss beispielsweise im Grundwasser enthaltenes Mangan oder Eisen vor dem Brauen oxidiert und abfiltriert werden. Die Prozessluft durchläuft nach einem Partikelfilter – durch den auch Steuer- und Treberluft müssen – im zweiten Schritt einen Aktivkohlefilter und zuletzt einen Sterilfilter.

Verwendet wird die Sterilluft unter anderem zum Reinigen der Leitungen nach jedem Medien- oder Produktwechsel. Dazu wird das Restprodukt, beispielsweise ein alkoholfreies Bier, im ersten Schuss mit Kohlendioxid oder Brauwasser ausgeschoben, ein Luftpolster folgt hintendrein. Mit Rohrlängen von bis zu 300 Metern ist das Betriebsgelände im Bitburger Süden sehr weitläufig. Druckschwankungen, die sich durch gleichzeitiges Zuschalten mehrerer Verbraucher ergeben, sind daher möglichst gering zu halten.
Ebenfalls sehr diskontinuierlich ist der Bedarf an Treberluft: Bitburger betreibt drei Sudlinien, kocht im Schnitt einen Sud pro Stunde. Die entstehenden Treber fallen in Kästen unter dem Sudhaus und werden aus den Treberkästen per Druckluft in Silos gefördert. Dazu ist ein Volumenstrom von umgerechnet etwa 450 m3/h nötig. „Wenn da zufällig beide Straßen auf einmal fördern, steigt der Bedarf natürlich sprunghaft", erklärt Klaus Neumann. Für die „extrem hohen Schwankungen" müsse man gerüstet sein. Zur Verdeutlichung weist Neumann auf seinen Bildschirm: „Hier kann ich Verbrauchsgrafiken für Minuten- und sogar Sekundentakte abrufen." Und die zeigen zum Beispiel: Um 14.32 Uhr wurden gut 1780 m3 Sterilluft abgerufen, um 14.33 Uhr nur noch 1480 m3. Eine Stunde später waren es rund 1500 m3 in der Minute, in der darauffolgenden schon 2600 m3. „Innerhalb von Sekunden haben wir Bedarfe, die um mehrere Hundert Kubikmeter schwanken", verdeutlicht Neumann. 

Und solche Schwankungen können teuer sein. Denn um für die Spitzen gerüstet zu sein, müssen konventionelle Kompressoren eine entsprechend hohe Kapazität vorhalten. In einem Zusammenspiel von mehreren Verdichtern brauchen sich einige dann nur in den Spitzen einzuschalten, um dann kurzzeitig Volllast zu bringen, anschließend in den Leerlauf herunterzuschalten und wieder in den Stillstand zu verfallen. „Besonders der Leerlauf kostete uns bei diesem Konzept sehr viel Strom", gibt Neumann zu. „Das wollten und mussten wir optimieren, denn der Strom wurde in den letzten Jahren nicht gerade billiger." Und auch die regelmäßigen Stillstände halfen nicht, die Amortisationszeiten einer Investition kurz zu halten. 
Neumann und sein Team schnitten alte Zöpfe ab und rückten dem Energieverbrauch zu Leibe: Zunächst wurden die Tagesganglinien des Druckluftverbrauchs analysiert und ein sogenanntes Air-Management eingeführt. „Damit konnten die Maschinen bedarfsgerecht angefordert werden", erklärt Klaus Neumann, „womit wir den Stromverbrauch schon um über zehn Prozent gesenkt haben." Dennoch sei weiteres Potenzial zunächst ungehoben geblieben. Erst als Bitburger dann in der Kompressorstation Ersatzbedarf hatte, war das die Chance für weitere Einsparungen. 

Man orientierte sich am Markt und verglich mehrere Angebote. Ein drehzahlgeregelter Kompressor sollte her, wusste Neumann doch, dass diese Produkte starke Schwankungen energetisch viel besser bewältigen könnten als konventionelle Regelsysteme. Die Steuerung eines drehzahlgeregelten Verdichters misst permanent den Systemdruck und vergleicht ihn mit dem Sollwert. Entsprechend dem Bedarf der an den Zapfstellen angeschlossenen Maschinen und Systeme wird die Drehzahl erhöht oder gesenkt. Der Kompressor vermeidet auf diese Weise einen zu hohen Energieverbrauch, denn er komprimiert immer genau in dem Maß, wie die Verbraucher im Netz Druckluft nachfragen. 

„Wir brauchten einen Regelbereich von etwa 1500 bis 1700 Kubikmetern", führt Klaus Neumann aus, „und wollten das mit einem einzigen Kompressor verwirklichen." Die beste Lösung fand er dann bei der Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH in Essen: Der schließlich angeschaffte ZR 315-8,6 VSD „hatte das für uns optimale Spektrum" mit einem Nennvolumenstrom von rund 900 bis 2800 m3/h. Zum Jahreswechsel 2005/2006 ging die Maschine in Bitburg in Betrieb, und seither reduziert sich der energetisch teure Leerlauf an den anderen Kompressoren sehr deutlich.

Die insgesamt sieben untereinander vernetzten Kompressoren benötigen heute nur noch etwa 0,161 kWh, um einen Normkubikmeter Druckluft zu erzeugen. Noch vor wenigen Jahren belief sich diese spezifische Leistungsaufnahme auf über 0,219 kWh/m3. Der Stromverbrauch ist als um rund 27 % gesunken. Für Neumann war das der Hauptgrund für die Entscheidung, doch hätten der „konkurrenzfähige Preis" sowie die „ideale Konfiguration der Anlage" mit den Ausschlag für den ZR 315 gegeben. Zwar stand in Bitburg bis zur Anschaffung dieses Kompressors noch keine Maschine von Atlas Copco, doch hatte man „in der Vergangenheit bereits ein Projekt in Polen zur vollen Zufriedenheit mit dem Hersteller abgewickelt", wie Neumann sagt. 
Der maximale Volumenstrom der Station liegt heute bei gut 12000 m3, doch Bitburger nutzt diese Kapazität selbst in der Spitze nicht aus: „Derzeit liegen wir bei 6500 Kubikmetern", überschlägt Klaus Neumann. „Aber wir benötigen für Instandhaltungen oder für den Wechsel einer Verdichterstufe an einem größeren Kompressor eine gewisse Redundanz." Schließlich bringe jeder Austausch eines Bauteils einen mehr oder weniger langen Stillstand mit sich. 

Die größte Maschine mit 3500 m³/h lässt inzwischen in ihrer Leistung stark nach. „Die schleppen wir nur noch mit, solange sich die Reparaturen in Grenzen halten", betont Neumann. „Konkret: Sollte an diesem älteren Verdichter ein Stufenwechsel oder eine Generalüberholung die Summe von 15000 Euro überschreiten, werden wir diesen Kompressor ausrangieren und nicht mehr ersetzen." Ob dann ein weiterer drehzahlgeregelter Verdichter nötig ist, will er nicht prognostizieren: „Meistens reicht einer im System, wenn der Regelbereich ausreichend bemessen ist." Aber ob das der Fall ist, werde erst geprüft, wenn der Oldie seine letzte Runde gedreht hat.