Prof. Dr. Andreas Weiß von der Hochschule Amberg-Weiden ist überzeugt: 'Nutzt man das gesamte Potenzial, so ist die Druckluft im Betrieb zukünftig eine rationelle Energie-Anwendung.'

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Eine Studie der Europäischen Union zeigt, dass 18 % der elektrischen Energie in der Industrie für die Erzeugung von Druckluft als Arbeitsfluid verbraucht wird. Ein Drittel dieser Elektrizität, so die Studie, ließe sich durch geeignete Technik und effizientere Anlagen einsparen. An der HAW wurde Drucklufttechnik bereits im Jahr 2000 in das Lehr- und Forschungsan­gebot aufgenommen und ein Prüfstand für Drucklufttechnik und pneumatische Antriebe aufgebaut. Seit dieser Zeit arbeitet die Hochschule eng mit der Industrie zusammen, etwa mit dem ortsansässigen Maschinenbauer Deprag. Die Entwicklung von schnelllaufenden Turbinen für Druckluft, CO2, Erdgas, Wasserdampf und andere Dämpfe sowie die Konzeption dazu not­wendiger Generatoren mündete beispielsweise im so genannten 'Green Energy Turbinensystem' – einer Technik, mit der geringe Restmengen von Prozessgas profitabel verstromt werden können.

Dagmar Dübbelde, Deprag: „Ein Eins-zu-eins-Vergleich von elektrischer und pneumatischer Antriebstechnik ist nicht zielführend.“

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Es gibt aber auch Kritiker der Drucklufttechnik: Je nach Bauart nutze der Druckluftmotor die Expansionsarbeit der Druckluft nicht optimal aus, als Folge werde mehr komprimierte Luft verbraucht als unbedingt nötig. Der Verbrauch an Energie für den elektrischen Kompressor sei demnach höher, als wenn der Strom direkt für ein elektrisches Werkzeug genutzt würde – so die Argumentation. Dagmar Dübbelde, Produktmanagerin bei Deprag, hält dem entgegen: 'Druckluftmotoren und Elektromotoren lassen sich nicht eins zu eins vergleichen. Die Anwendung ist es, die die Antriebslösung bestimmt.' Ein Beispiel: Ein Motor soll in einer Verpackungsmaschine eine Drehzahl von 450 Umdrehungen/Minute erzielen. Zum Verschluss eines Packbandes steht über einen längeren Zeitraum ein Drehmoment von 25 Nm mit reduzierter Drehzahl an. 'Elektromotoren können nicht über einen längeren Zeitraum überlastet werden; das würde zu einer unzulässigen Überhitzung führen', merkt Dagmar Dübbelde zu diesem Beispiel an und ergänzt: 'Deshalb wird ein Elektromotor für diese Verpackungsmaschine auf das Lastdrehmoment ausgelegt und würde eine Leistung von 1170 W – sprich 25 Nm mal 450 Umdrehungen/Minute dividiert durch 9550 – benötigen.'

Erwin Ruppelt, Kaeser Kompressoren: „Mit Wärmerückgewinnung lässt sich weitere wertvolle Energie einsparen.“

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Ganz anders sehe die Rechnung beim Druckluftmotor aus. Dagmar Dübbelde: 'Beide Anforderungen der Verpackungsmaschine sind durch den günstigen Drehmomentverlauf von Druckluftmotoren mit einem kleineren Motor realisierbar. Hier würde man einen Druckluftmotor mit einem Nenndrehmoment von 15 Nm bei einer Nenndrehzahl von 275 Umdrehungen/Minute auswählen. Da das Arbeitsdrehmoment unter dem Nenndrehmoment liegt, dreht der Motor unter geringer Last nahe der Leerlaufdrehzahl mit 450 Umdrehungen/Minute. Die benötigte Leistung des Druckluftmotors beträgt damit nur 430 W.' Die Druckluft-Expertin fügt hinzu: 'Wenn beim Druckluftmotor für diese Verpackungsmaschine nur ein Drittel der Leistung eines Elektromotors installiert werden muss, erscheint die Energiebilanz des Druckluftmotors gleich in einem ganz anderen Licht.'

Unstrittig ist: Druckluftmotoren arbeiten nahe der Nenndrehzahl am ef­fektivsten. Dagmar Dübbelde rät daher allen Anwendern: 'Die Pneumatikmotoren müssen für ihre Anwendung sorgfäl­tig ausgelegt werden, das spart elektrische Energie und Betriebskosten.' Ganz einfache konventionelle Maßnahmen erhöhen dabei bereits die Wirtschaftlich­keit. Das heißt: Die vom Hersteller empfohlenen Schlauchweiten müssen unbedingt eingehalten werden. Jede Engstelle wirkt als Drossel und reduziert die Leistung des Pneumatikmotors.

Energiefluss eines fluid- und luft­gekühlten Schraubenkompressors: Bis zu 96 % der elektrischen Leistungs­aufnahme stehen zur Zweitnutzung durch Wärmerückgewinnung bereit.

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Auch die Hersteller der für die Druckluftstationen benötigten Kompressoren leisten ihren Beitrag, den Energieverbrauch der Drucklufterzeugung flächendeckend um 30 % zu senken. Kaeser Kompressoren beispielsweise bietet Anwendern ein PC-gestütztes Druckluft-Audit an, das für neue aber auch bestehende Anlagen den tatsächlichen Luftbedarf akkurat ermittelt. Erwin Ruppelt, Projektingenieur bei Kaeser Kompressoren stellt in diesem Zusammenhang fest: 'Je mehr Transparenz über Kosten und Einsparpotenziale bei der Druckluftversorgung besteht, desto näher kommen alle Beteiligten dem Ziel, den Energieverbrauch der Drucklufterzeugung um ein Drittel zu drosseln – zum Vorteil der Unternehmensbilanzen und der Umwelt.' Moderne Kompressor-interne Steuerungen kommunizieren hierzu mit Industrie-PCs, ermöglichen eine präzise Datenerfassung und -auswertung und bilden die Basis für ein komplexes Systemmanagement, das auch bei bereits bestehenden Stationen den Energieverbrauch deutlich senken kann.

Die Drucklufttechnik kann aber noch mehr. Erwin Ruppelt: '100 % der in einem Kompressor zugeführten Antriebsenergie werden in Wärme umgewandelt. Immerhin bis zu 96 % dieser Energie lassen sich ein ‚zweites Mal‘ verwenden – etwa zu Heizzwecken oder als Prozesswärme!' Durch gezielte Nutzung der Kompressorabwärme könne daher nicht nur der Elektro-Energieverbrauch, sondern auch der Heiz-Energiebedarf eines Betriebes spürbar verringert werden.

552.000 Kilowattstunden eingespart

Welche Effizienzsteigerungen mit gezielter Wärmerückgewinnung bei Schraubenkompressoren möglich sind, zeigt das Beispiel eines Mühlenbetriebs. Der Vergleich der Jahre 2007, als noch ohne Nutzung der Kompressor-Abwärme gearbeitet wurde, und 2011 spricht für sich: Bei der Gasheizung konnten bei diesem Unternehmen insgesamt 552.000 kWh eingespart werden. Diese Ersparnis entspricht 36 % der gesamten Heizkosten des Betriebs. Im Jahresdurchschnitt ist es gelungen, 52 % der Kompressor-Leistungsaufnahme für Heizzwecke gewissermaßen ein zweites Mal zu nutzen; der Spitzenwert der Messung betrug 71 %.

Blick in eine Expansionsturbine: Die Umwandlung der Druckenergie in kinetische Energie erfolgt in der Eintrittsdüse. Bei einer zweistufigen Turbine wird die Energie im ersten Laufrad umgesetzt und über das feststehende Leitrad der Luftstrom umgelenkt.

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Innovative Entwicklungen in der Drucklufttechnik versprechen ebenfalls eine Senkung der Energiekosten. Beispielsweise der pneumatische Turbinenantrieb. Statt des herkömmlichen Lamellenmotors nutzt dabei eine Turbine die Expansionsarbeit der Druckluft. Diese verwertet das Arbeitsfluid weit effizienter, der Luftbedarf der Maschine nimmt um ein Drittel ab. Dazu punktet der Turbinenantrieb mit einem Leistungsgewicht (Kilogramm/Kilowatt), das nur halb so groß ist wie beim Lamellenmotor. Oder anders ausgedrückt: 'Durch den Austausch eines faustgroßen Lamellenmotors gegen einen Turbinenantrieb gleicher Größe lässt sich die Motorleistung mit einem Schlag verdoppeln', so Dagmar Dübbelde. Die Turbine benötige darüber hinaus keine Schmierstoffe und Verschleißteile gibt es nicht. Auch das spreche für die Wirtschaftlichkeit einer Turbine.

Prof. Dr. Andreas Weiß von der Hochschule für angewandte Wissenschaften Amberg-Weiden fasst zusammen: 'Druckluft ist heute effizienter als je zuvor. Bezieht man die Wärmerückgewinnung mit ein, gibt es für einen Betrieb nichts Wirtschaftlicheres.' Für die Zukunft sieht er noch großes Potenzial: 'Druckluftsysteme könnten zukünftig verstärkt Anwendung bei der dezentralen Speicherung überschüssiger erneuerbarer Energie finden. Mit vorhandenen Kompressoren und dem Turbinengenerator könnte die als „Compressed Air Energy Storage' (CAES) bezeichnete Kurzzeitspeicherung von Wind- oder Sonnenenergie auch im kleinen kW-Bereich ein neues Anwendungsgebiet der Drucklufttechnik darstellen.'