Druckluftsystem mit variabler Drehzahl

Bei den meisten Kompressoren mit variabler Drehzahl können die prozentualen Anteile der Betriebszeit, die den verschiedenen Lastraten entsprechen, über das Display abgerufen werden. Anhand dieser Prozentsätze, der Anzahl der Betriebsstunden und des entsprechenden Stromverbrauchs (der Stromverbrauch bei verschiedenen Lastraten kann vom Hersteller ermittelt oder anhand der technischen Datenblätter von American CAGI bestimmt werden) lässt sich der jährliche Gesamtverbrauch berechnen.

Vorsicht: Auch wenn die Schätzungen genauer sind als in der Grobanalyse, handelt es sich dennoch um Schätzwerte aufgrund von Richtwerten unter Standardbedingungen.

Druckluftsystem mit fester Drehzahl

La plupart des compresseurs d'air ont des compteurs d'heures de fonctionnement et d'heures en charge. La différence est le temps de marche à vide. Si les heures de fonctionnement ne sont pas relevées régulièrement, un nombre d'heures et une date peuvent parfois être trouvés dans le carnet d'entretien ou l'autocollant d'entretien. Si ces informations ne sont pas disponibles, il est possible d'estimer les heures de fonctionnement annuelles grâce à l'année d'installation ou de construction du compresseur. La consommation peut être estimée en multipliant les heures de fonctionnement en charge par la puissance absorbé en charge plus les heures de fonctionnement en marche à vide fois la puissance absorbée dans ce mode. Les puissances absorbées sont parfois disponibles sur les fiches techniques. Sinon, on approximera la puissance absorbée en charge à 100% de la puissance nominale et en marche à vide à 25%.

Wenn keine dieser Informationen verfügbar ist, kann der Jahresverbrauch sehr grob geschätzt werden, indem die Nennleistung mit 2000 Betriebsstunden multipliziert wird.

Der Stromverbrauch des Systems wird über einen längeren Zeitraum (z. B. eine Woche) mit einem Wattmeter gemessen. Anschliessend wird durch Extrapolation eine jährliche Schätzung ermittelt. Diese Messung sollte mit den unten beschriebenen Analysen kombiniert werden. Das Verfahren zur Unterstützung bei elektrischen Messungen kann für diese Variante herangezogen werden. Bitte beachten Sie, dass bei Messungen mit einem Amperemeter (nur Strommessung, ohne Spannung) der cos phi berücksichtigt werden muss (insbesondere bei Kompressoren mit fester Drehzahl). Typische Grössenordnungen sind 0,86 bei Nennleistung und 0,44 im Leerlauf.

In einigen Fällen kann ein Stromzähler verwendet werden, um den tatsächlichen Jahresverbrauch zu ermitteln.

Es sollte auch beachtet werden, dass einige Lieferanten anbieten, die Anlage mit einem System auszustatten, welche das aktuelle System (einschliesslich des Verbrauchs) bestimmt und den Gewinn ermittelt, den eine optimierte Lösung bei identischem Luftbedarfsprofil bringen würde.

Sobald die Verteilung und Nutzung der Druckluft klar festgelegt und optimiert wurden, muss überprüft werden, ob die Kompressoren hinsichtlich Leistung und Druck richtig dimensioniert sind.

Druck: Ein Kompressor mit einem effektiven Einstelldruck, der deutlich unter dem Nenndruck liegt, hat einen geringeren Wirkungsgrad. Es ist schwierig, den Gewinn durch einen Kompressor zu berechnen, der hinsichtlich des Drucks richtig dimensioniert ist. Diese Informationen sollten beim Lieferanten angefordert werden.
Bitte beachten Sie, dass bei der Grössenanpassung der zukünftige maximale Strombedarf berücksichtigt werden muss (dies ist mit dem Personal vor Ort zu besprechen).

Nenn-Durchflussmenge: Si le compresseur est surdimensionné en débit, l'efficacité sera prétéritée tant pour des compresseurs fonctionnant en charge/à vide, que pour des compresseurs à vitesse variable. Les gains théoriques peuvent être calculés grâce aux données techniques de la puissance du compresseur en fonction du taux de charge. En dessous de 40–50% de taux de charge, l'efficacité d'un compresseur à vitesse variable se détériore significativement (voir figure 1).

Abbildung 1: Vergleich der spezifischen Leistungswerte für Kompressoren mit variabler Drehzahl (Median in Schwarz) und Start-/Stopp-Kompressoren (Median in Blau) basierend auf dem Lastfaktor. Datenquellen: CAGIS-Datenblatt 2017 für Atlas Copco- und Kaeser-Kompressoren mit einem Nenndruck zwischen 7,6 bar und 8,1 bar sowie zwischen 8,3 bar und 8,9 bar, d. h. 22 Kompressoren mit variabler Drehzahl und 29 Start/Stopp-Kompressoren (dünne Linien, alle einzelnen Kurven). Die Unterschiede zwischen den beiden Medianwerten, d. h. die potenziellen Einsparungen, sind rot dargestellt.

Ratschlag:

• Da die meisten Kompressoren redundant sind, lässt sich das System wirtschaftlich optimieren, indem nur ein Kompressor durch einen Kompressor mit variabler Drehzahl ersetzt wird. Dieser Kompressor wird dann die meiste Zeit in Betrieb sein. Der alte Kompressor mit fester Drehzahl wird nur für eine Stunde pro Woche oder im Falle einer Störung des neuen Kompressors aktiviert.
• Wenn ein Schraubenkompressor überdimensioniert ist und selten mit voller Leistung arbeitet, kann sich seine Lebensdauer verkürzen, da der Kompressor oft kalt läuft. Ein kleinerer Schraubenkompressor oder ein Kolbenkompressor wäre besser geeignet.
• Ein Druckluftsystem mit Kompressoren mit variabler Drehzahl erfordert ebenfalls eine Speichermöglichkeit.

Es gibt mehrere Möglichkeiten, die Kompressorleistung zu steigern. Um eine genauere Einschätzung der möglichen Leistungssteigerung zu erhalten, muss zunächst die aktuelle Leistung des Systems ermittelt werden.

Un bon système d'air comprimé à vis à 7 bar nécessite environ 0.1 kWh d'énergie électrique par m³ d'air comprimé (rendement isothermique de 60 %).

Die folgenden Punkte beschreiben die verschiedenen Optimierungsmöglichkeiten.

Hinweis: Oil-free compressors are less efficient than oil-lubr/icated compressors, which can be equipped with a filter.

Verfahren:

• Messung des Stromverbrauchs für jeden Kompressor
• Gleichzeitige Messung der Gesamtdurchflussmenge. Die Gesamtdurchflussmenge kann entweder mit einem Durchflussmesser (der hinzugefügt werden muss) oder über die bereits im System enthaltene Aufzeichnung ermittelt werden. Im letzteren Fall kann der Zähler regelmässig von Hand abgelesen werden.

Diese beiden Werte werden zur Berechnung der spezifischen Leistung des/der Kompressoren verwendet, die dann mit den Werten im technischen Datenblatt (Degradation) und den BAT-Werten (beste verfügbare Technik) verglichen werden können.

Vorsicht: Beim Vergleich ist zu beachten, dass die Werte in den technischen Datenblättern unter Standardbedingungen gemessen wurden. Diese Werte müssen entsprechend der Ansaugtemperatur und dem Ansaugdruck korrigiert werden. Die spezifische Leistung kann auf Ebene des Kompressors oder auf Ebene des gesamten Produktionsprozesses, einschliesslich Trocknung und Spülung, berechnet werden.

Der Austausch eines Kompressors mit Dauer-/Leerlaufbetrieb durch einen neuen Kompressor mit variabler Drehzahl bietet drei wesentliche Vorteile:

• Un gain d'efficacité lors de taux de charges partiels (notamment en dessous de 80%) comme montré avec la différence des puissances spécifiques dans la fig. 1. Ce gain est dû à la diminution voir à l'élimination de période en marche à vide qui consomment de l'énergie mais ne produisent rien.
• Gewinn durch reduzierten Druckbereich: Bei Leerlaufbetrieb ist der Druckbereich (Delta p) relativ hoch, um zu häufige Starts/Stopps zu vermeiden. Ein erhöhter Druck bedeutet jedoch eine verringerte spezifische Leistung und damit einen geringeren Wirkungsgrad. Ein Kompressor mit variabler Drehzahl arbeitet nicht mehr innerhalb eines grösseren oder kleineren Druckbereichs, sondern zu einem festgelegten Druck, der kontinuierlich aufrechterhalten wird (siehe Abbildung 2).
• Technologischer Fortschritt durch effizientere Komponenten: Ein neuer Kompressor hat in der Regel eine geringere spezifische Leistung als ein älteres Modell (zu überprüfen anhand der technischen Daten und gegebenenfalls durch Messungen).

Abbildung 2: Stromverbrauch während der verschiedenen Betriebsphasen eines Kompressors ohne Frequenzumrichter. Die grüne Linie zeigt den Mehrverbrauch aufgrund variabler Druckwerte, die rote Linie den Verbrauch während Leerlaufphasen vor dem Abschalten.

Verfahren zur Berechnung von Effizienzgewinnen

1) Definieren Sie ein jährliches Flussprofil.

Idealerweise werden die Durchflussraten über ein Jahr hinweg mit hoher Auflösung (alle paar Minuten) gemessen, wodurch ein realistisches Profil entsteht. Leider sind diese Daten in der Regel nicht verfügbar. In diesem Fall kann eine Durchflussmesskampagne über einen aussagekräftigen Zeitraum organisiert werden. Die Ergebnisse können dann auf ein Jahr hochgerechnet werden. Wenn eine Durchflussmessung (oft invasiv) nicht möglich oder zu kompliziert ist, kann das Durchflussprofil geschätzt werden, indem nur die elektrische Leistung des Kompressors über einen bestimmten Zeitraum gemessen wird (über einen signifikanten Zeitraum in Abständen von etwa einer Minute). Die Durchflussmenge kann dann anhand der spezifischen Leistung gemäss technischem Datenblatt geschätzt werden (sie ist an die Systembedingungen anzupassen, unter Berücksichtigung der Temperatur der Ansaugluft und der eingestellten Drücke). Die Durchflussmenge muss dann geglättet werden (Auswirkung des Druckluftvorrats). Im letzteren Fall berücksichtigen die Schätzungen nicht die Differenz zwischen der spezifischen Leistung aus dem technischen Datenblatt und dem tatsächlichen Wert. Messungen über die Dauer von einer Woche sind oft ausreichend.

Vorsicht: Wenn Netzwerk- oder Verbraucheroptimierungen gleichzeitig geplant sind, muss das Profil angepasst werden (idealerweise sollten diese Optimierungen vor der Durchführung von Messungen umgesetzt werden).

Abbildung 3: Profil der klassifizierten Durchflussmenge

2) Anhand des gemessenen oder geschätzten jährlichen Durchflussprofils lässt sich der Stromverbrauch des neuen Kompressors aus spezifischen Leistungswerten (angepasst an die Betriebsbedingungen) auf Basis der Auslastung schätzen (in der Regel vom Lieferanten erhältlich; auch die Datenblätter von American CAGIS liefern eine gute Schätzung). Der so berechnete Verbrauch kann dann mit dem aktuellen Verbrauch (z. B. gemessen mit einem Wattmeter) verglichen werden.

Ein überdimensionierter Kompressor ist nicht effizient (siehe Abschnitt 4.1). Je nachdem kann es kostengünstig sein, ihn durch einen geeigneten Kompressor zu ersetzen.

Berechnungsmethode

Die Gewinne werden wie in Abschnitt 4.2.2 geschätzt. Beim Austausch eines Kompressors lohnt es sich in der Regel, einen Kompressor mit variabler Drehzahl zu installieren (sofern der alte Kompressor nicht bereits über eine variable Drehzahl verfügte).

In Situationen, in denen das System mehrere Kompressoren umfasst, die gleichzeitig betrieben werden können, ist manchmal eine Kaskadenoptimierung möglich, die zu erheblichen Einsparungen bei geringen Kosten führt. In der Regel ist der Kompressorlieferant für diese Regelung verantwortlich. Die folgenden effizienten Betriebsmodi sollten überprüft/erreicht werden:

• Der/die Kompressor(en) mit variabler Drehzahl erzeugt/erzeugen den schwankenden Teil der Durchflussrate. (Die Banddurchflussrate wird von Kompressoren ohne variablen Drehzahlantrieb erzeugt.) Diese Bedingung ist erfüllt, wenn die Auslastung des/der Kompressoren ohne variablen Drehzahlantrieb hoch ist.
• Les enclenchements/déclenchement assurent des taux de charge optimaux : pour les compresseurs en charge/à vide en dessus de 80/90 %, pour les compresseurs à vitesse variable entre 50% et 90%.
• Die effizientesten Kompressoren werden zuerst in Betrieb genommen.
• Der Ausgangsdruck ist optimal.

Verfahren zur Berechnung von Effizienzgewinnen

1. Messen Sie gleichzeitig den Stromverbrauch jedes Kompressors über einen aussagekräftigen Zeitraum.
2. Leiten Sie die Lastrate für jeden Kompressor basierend auf dem Durchflussbereich ab.
3. Dank der spezifischen Leistungswerte der verschiedenen Kompressoren und Lastfaktoren kann eine Durchflussrate geschätzt werden. Durch Addition dieser Werte erhält man eine Gesamtdurchflussrate. Idealerweise wird die Gesamtdurchflussrate mit einem Durchflussmesser gemessen.
4. Erstellen Sie auf dieser Grundlage eine inverse monotone Kurve oder ein Histogramm der Durchflussraten.
5. Für jeden Durchflussbereich wird eine neue optimierte Schaltsequenz die erforderliche Produktion sicherstellen.
6. Der neue Verbrauch kann dann anhand der spezifischen Nennleistungen und Durchflussraten jedes Kompressors pro Durchflussrate geschätzt werden.
7. Die Summe dieser Verbräuche kann dann mit dem ursprünglichen Verbrauch verglichen werden, um den potenziellen Gewinn zu ermitteln.

Bemerkungen: Moderne Managementsysteme optimieren die Schaltsequenzen automatisch entsprechend dem Typ und Wirkungsgrad der Kompressoren.

Die Verdichtungsleistung hängt von der Ansaugtemperatur ab. Die Abnahme der Luftdichte bei steigender Temperatur führt zu einem Anstieg des spezifischen Verbrauchs.

Berechnungsmethode

L'augmentation moyenne de la consommation spécifique d'un compresseur en fonction de la température est de 0.34 %/°C. Optimierungen:

• Bessere Belüftung der Räumlichkeiten
• Aussenluftansaugung (allgemein)

Ein Ventilator kann nützlich sein (insbesondere, wenn die Frischluftzufuhr über einen langen Kanal erfolgt). Beachten Sie, dass die angesaugte Luft sauber sein muss.

In den meisten Fällen ist es vorteilhaft, permanente Stromzähler (Smart Metering) zu installieren. Damit können Sie die ordnungsgemässe Funktion der Anlagen überwachen, die Kosten für Druckluft ermitteln und die Wirkung der umgesetzten Energiesparmassnahmen quantifizieren.