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Kompressoren Drehzahlgeregelter Turbokompressor senkt Stromkosten nachhaltig

Redakteur: Sabine Mühlenkamp

Der Spezialchemie-Hersteller Alzchem hat im bayrischen Hart zwei alte Kompressoren gegen einen neuen, drehzahlgeregelten Turbokompressor ausgetauscht. Dank des Regelbereiches des Kompressors wird der Druckluftbedarf nun immer optimal abgedeckt und die jährliche Stromrechnung um über 70.000 Euro reduziert.

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Bei Herstellung von Calciumkarbid aus Koks und Kalk fällt sehr viel Staub an. Bei Alzchem in Hart stehen deswegen zehn große Filteranlagen, die die Luft entstauben.
Bei Herstellung von Calciumkarbid aus Koks und Kalk fällt sehr viel Staub an. Bei Alzchem in Hart stehen deswegen zehn große Filteranlagen, die die Luft entstauben.
(Bild: Atlas Copco)

Neben der Energieeffizienz waren für den Anwender die kompakte Bauweise und die geringen Geräuschemissionen entscheidend. „Das war jetzt einfach der richtige Zeitpunkt für einen Wechsel unserer Kompressoren“, sagt Helmut Mußner, Leiter des Versorgungsbetriebs der Alzchem im bayrischen Hart. „Einerseits ist unser Ausstoß in den letzten Jahren gestiegen, andererseits wurden die Umweltauflagen bezüglich Energieeffizienz und Lärmemissionen immer strenger, sodass wir handeln mussten. Vor fünf Jahren wäre die Modernisierung wirtschaftlich weniger sinnvoll gewesen.“

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Das Karbidwerk der Alzchem in Hart ist einer von nur vier Betrieben in Europa, die Calciumkarbid (CaC2) herstellen. Das Produkt wird als Entschwefelungsmittel in der Stahlerzeugung eingesetzt oder im Schwesterwerk mit gasförmigem Stickstoff zu Kalkstickstoff (Calciumcyanamid, CaCN2) veredelt. Das CaCN2 wiederum dient als Dünger etwa im Reisanbau oder bei Obst-, Gemüse-, Kartoffel-, Mais- und Grünlandernten. Die wichtigsten Produkte der Alzchem entstehen durch Weiterverarbeitung des Kalkstickstoffs in der so genannten N-C-N-Chemie zu Cyanamid und Dicyandiamid sowie deren Derivaten.

CaC2 entsteht aus Koks und Kalk im so genannten Niederschachtofen, energieintensiv bei rund 2000 °C, unter hohen Umweltschutzauflagen. In Deutschland ist Alzchem der einzige Hersteller, in Europa der größte. In Trostberg veredelt das Unternehmen den Stoff zu CaCN2; täglich fahren sechs bis acht Eisenbahnwaggons mit Calciumkarbid von Hart nach Trostberg.

Am Standort in Hart werden derzeit jährlich rund 200.000 t Feststoffe (Kalk und Kokse) umgeschlagen, die beim innerbetrieblichen Transport über moderne Filteranlagen entstaubt werden müssen. Dabei werden jährlich etwa drei Milliarden Normkubikmeter (Nm3) an staubhaltiger Luft über verschiedene Filteranlagen abgesaugt und entstaubt. Die größte Filteranlage reinigt die so genannte Ofenschwaden-Abluft. Sie saugt etwa 150.000 bis 180.000 m3 Luft pro Stunde ab und gewinnt jährlich rund 1000 t Filterstaub zurück.

Da die Öfen rund um die Uhr in Betrieb sind und die Filter jederzeit einwandfrei arbeiten müssen, ist eine regelmäßige Reinigung der Filter mittels Druckluft erforderlich: Mit Druckluft-Jetimpulsen wird der Staub aus den Filterkerzen abgereinigt. Der zurückgewonnene kalkhaltige Filterstaub besteht zu etwa 75 % aus Calciumoxid. Er wird in einer nachgeschalteten Anlage kompaktiert und als Rohstoff in die Produktion zurückgeführt.

Für diese Betriebsluft sowie für Instrumenten- und Trägerluft benötigt Alzchem zwischen 20 und 25 Millionen Normkubikmeter Druckluft im Jahr – in der Regel rund 3000 m3 in der Stunde. Mit der Trägerluft, auf die etwa 10 bis 15 % des Bedarfs entfallen, werden Silofahrzeuge entleert und wird Koks werksintern via Rohrleitungen von einem Silo zum anderen gefördert. Ein ähnlich hoher Druckluftanteil entfällt auf die Instrumentenluft für die unzähligen Antriebe: „Wegen unserer hohen Sicherheitsanforderungen haben wir an vielen Stellen pneumatische Antriebe; und die Ventile dürfen auf keinen Fall ausfallen“, sagt Mußner. Den größten Druckluftbedarf, mit etwa 70 bis 75 %, macht die Betriebsluft aus. Neben der Filterreinigung wird sie als Blasluft eingesetzt oder zum Antreiben von Schlagschraubern, Bohrmaschinen und anderen Werkzeugen in der betriebseigenen Instandhaltung benötigt.

„Bis zum vorletzten Sommer haben wir die Druckluft mit zwei baugleichen, ungeregelten Turbokompressoren erzeugt, die jeweils rund 3200 m3/h liefern konnten“, erklärt Helmut Mußner. „Eigentlich sollte immer nur einer laufen. Der zweite sollte vollständig redundant sein und nur im Notfall einspringen.“ Doch mit steigendem Ausstoß in Hart wurde aus dem Not- fast der Regelfall: Immer häufiger schaltete sich der zweite Turbo hinzu, meistens nur, um für Spitzenbedarfe von etwa 3300 m3/h die fehlenden 100 m3 beizusteuern. „Das war energetisch untragbar“, sagt Mußner deutlich, und entschied sich, „nicht mehr allzu viel Geld in 30 Jahre alte Kompressoren zu stecken“.

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Dreistufiger Turbokompressor

Stattdessen wurde der Druckluftbedarf, der immer zwischen 2400 und 3600 m3/h lag, im Werk über einige Wochen gemessen. „Ich wollte jeden Bedarf mit nur einem Kompressor abdecken können, und zwar ohne Energie zu vernichten.“ Dass dafür eine regelbare Maschine erforderlich war, war ihm ebenso klar wie die Tatsache, dass „die modernen Maschinen auf dem Markt ohnehin weitaus effizienter arbeiten als unsere alten Schätzchen“. Die Lösung fand Versorger Mußner in dem Turbokompressor ZH 350+ VSD von Atlas Copco, in dem der Konzern ein ganz neues Konstruktionskonzept umgesetzt hat.

„Wir sind in Deutschland der erste Industriebetrieb, der diese Maschine installiert hat“, sagt er mit Stolz, aber auch leichter Unsicherheit, ob die Technologie denn auch hält, was Atlas Copco verspricht. Der ZH 350+ ist für einen maximalen Betriebsüberdruck von 8 bar ausgelegt und eignet sich am besten für die gängigen mittleren Betriebsüberdrücke zwischen 6 und 7 bar. Bei diesem Turbokompressor hat Atlas Copco erstmals ein dreistufiges Konzept umgesetzt, bei dem die erste Verdichtungsstufe auf einer Welle sowie die zweite und dritte Stufe auf einer gemeinsamen Welle liegen. Dies ist die Grundlage für die sehr hohe Effizienz des Kompressors: Sie ergibt sich aus der Anordnung des Hochgeschwindigkeitsmotors zwischen den Laufrädern der ersten beiden Stufen. Dadurch kann auf ein verlustbringendes Getriebe verzichtet werden, denn der Motor treibt die Laufräder direkt an. Außerdem ist die Welle des Motors an den Laufrädern magnetisch gelagert, wodurch mechanische Verluste minimiert werden. Die dritte Stufe wird von einem baugleichen Motor nach dem gleichen Prinzip angetrieben.

Verzicht auf Lager und Getriebe

Diese Konstruktionsmerkmale steigern nicht nur die Effizienz, sondern senken die Lebenszykluskosten: Lager und Getriebe sucht man vergebens; der Kompressor kommt dadurch mit weniger mechanischen Kontakten aus, was den Verschleiß senkt. Folglich sind im Laufe des Lebenszyklus weniger Ersatzteile vonnöten, und es ist weniger Wartung erforderlich.

Eine der wichtigsten Anforderungen an den Turbo war für Mußner, neben der Energieeffizienz, die Zuverlässigkeit der Aggregate. Und das hat mit dem gigantischen Stromverbrauch am Standort zu tun: „Wir benötigen hier in Hart etwa 440 Gigawattstunden elektrische Energie im Jahr“, sagt der Versorgungsexperte. „Wegen dieser großen Menge haben wir eine eigene Abteilung, die den Strom einkauft und die Zeiten festlegt. Und wenn der Strom da ist, müssen auch unsere Anlagen laufen. Ein Ausfall darf schlichtweg nicht vorkommen.“ Deshalb ist Mußner auch ganz glücklich, dass im Maschinenhaus neben den beiden alten Kompressoren genügend Platz war für den kompakten Atlas-Copco-Turbo, sodass er die alten vorerst als Reserve behalten kann. „Wenn sich alles weiter so bewährt wie bislang, werden wir die alten Maschinen natürlich irgendwann aus der Station nehmen.“

Der Wechsel auf die neue Technologie hat sich gelohnt: Pro Jahr spart Alzchem in Hart durch den neuen Kompressor zwischen 70.000 und 90.000 Euro an Energie ein, hat Helmut Mußner ausgerechnet. „Das liegt zum großen Teil auch daran, dass wir heute mit einem Druck von etwa 6,3 bar fahren können“, führt er aus. „Früher mussten wir mit 7,3 bar fahren, und das Netz und einige Luftbehälter haben als Puffer hergehalten. Diesen Puffer brauchen wir nicht, weil der Kompressor sehr leistungsfähig ist. Und allein mit dem geringeren Druck sparen wir etwa zwölf Prozent Energie.“

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