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    Originaldokument

    Key Words
    Steuerung
    Energiekosten
    Betreibermodell
    Contracting
    Industrie 4.0

    Druckluft in der pharmazeutischen Industrie
    Teil  6*): Optimale Abstimmung und Steuerung
    Maschinen- und Anlagenbau
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    Droid  Signika

    Anlagensplitting bringt Energiekostenvorteile Maschinenübergreifende Steuerung Alternatives Betreibermodell
    Abbildung 1:
    Der Druckluftverbrauch eines Betriebes kann im Laufe des Tages und im Rahmen unterschiedlicher Schichten sehr stark schwanken (Quelle aller Abbildungen: Kaeser Kompressoren).
    Dipl.-Ing. (FH) Erwin Ruppelt und Dipl.-Betriebswirtin Daniela Koehler · Kaeser Kompressoren SE, Coburg

    Korrespondenz:

    Daniela Koehler, Pressesprecherin, Kaeser Kompressoren SE, Carl-Kaeser-Str. 26, 96450 Coburg; e-mail: daniela.koehler@kaeser.com

    Dipl.-Ing. (FH) Erwin Ruppelt
    Dipl.-Ing. (FH) Erwin Ruppelt studierte Maschinenbau an der Fachhochschule Coburg. Seit 1982 ist er bei Kaeser Kompressoren tätig – zunächst als Projektingenieur, seit 1989 als Leiter der Abteilung Projektingenieure. Seine Zuständigkeit umfasst die Projektierung von Druckluftstationen, die Entwicklung von wirtschaftlichen, energiesparenden Konzepten für Druckluftstationen und die weltweite Schulung der Kaeser-Projektingenieure. Außerdem fungiert er als Dozent für Drucklufttechnik für verschiedene Aus- und Weiterbildungseinrichtungen. Hinzu kommt eine umfangreiche Tätigkeit als Fachautor und Herausgeber von Veröffentlichungen im Bereich Drucklufttechnik (u. a. Herausgeber und Mitautor der 3. und 4.  Auflage des „Druckluft Handbuch“ (1996/2003) und des „Taschenbuch Drucklufttechnik“ (1999).
    Dipl.-Betriebswirtin Daniela Koehler
    Dipl.-Betriebswirtin Daniela Koehler studierte Betriebswirtschaftslehre an der Hochschule Coburg, absolvierte u. a. ein Volontariat und war über 10 Jahre Leiterin der Wirtschaftsredaktion einer Tageszeitung. Seit 2012 ist sie für Kaeser Kompressoren als Pressesprecherin tätig. Ihre Zuständigkeit umfasst alle Bereiche und Aufgaben der internen und externen Kommunikation. Sie ist Autorin und Co-Autorin zahlreicher Fachartikel und Veröffentlichungen in unterschiedlichen Medien in Deutschland und weltweit.

    Zusammenfassung

    Wirklich wirtschaftlich wird eine Druckluftanlage erst, wenn alle Komponenten aufeinander abgestimmt sind und möglichst konstant überwacht und optimiert werden. Wobei in der pharmazeutischen Industrie besonders die Druckluftqualität eine wichtige Rolle spielt. Der letzte Teil dieser Druckluftserie beschreibt, wie Kompressoren effizient kombiniert werden, zeigt eine Alternative eines Betreibermodells auf und gibt einen Ausblick auf Möglichkeiten, z. B. vorrausschauende Instandhaltung.

    Die gegenseitige Abstimmung von Komponenten beginnt damit, die richtigen Größen der einzelnen Kompressoren in einer Station zu wählen. Der Bedarf an Druckluft während des Produktionsprozesses ist nicht immer gleich hoch (Abb.  1). Ein gewisser Grundbedarf ist zwar immer vorhanden, doch sorgen Schwankungen in der Produktionsauslastung mitunter für gehörige Spitzen im Verbrauch. In jedem Fall ist aber eine sichere Versorgung mit Druckluft unabdingbar. Da in der Pharmaindustrie häufig eine sehr hohe Druckluftqualität erforderlich ist, sollte immer sichergestellt sein, dass für die größte Einheit im Bereich der Drucklufterzeugung und -aufbereitung zu 100  % Ersatz bereitsteht. Entsprechend ist die Druckluftstation so zu konzeptionieren, dass jeder Bedarf möglichst energieeffizient und dennoch höchst zuverlässig erzeugt wird.

    Kompressoren verbrauchen nur dann Energie, wenn sie laufen. Ideal wäre es daher, wenn Kompressoren nur dann in Betrieb wären, wenn Druckluft benötigt wird. Dem steht allerdings entgegen, dass sich Elektromotoren aus technischen Gründen nicht beliebig oft schalten lassen. Die meisten Kompressoren sind mit Drehstrom-Asynchronmotoren ausgestattet. Die Schalthäufigkeit dieser Motoren nimmt mit steigender Leistung ab. Sie benötigen somit gewisse Leerlaufzeiten, um sich wieder zu regenerieren.

    Manche Anbieter schlagen daher grundsätzlich drehzahlgeregelte Kompressoren vor. Diese Variante ist allerdings aus Effizienz- und Energiekostengesichtspunkten nicht optimal, da bei diesen Maschinen zusätzliche Verluste durch die Drehzahlregelung hinzukommen (Abb.  2). Optimalerweise werden drehzahlgeregelte Kompressoren nur im Leistungsbereich von 40–80  % eingesetzt, um eine optimale Wirtschaftlichkeit zu erreichen. Falsch eingesetzt können sie die Drucklufterzeugung teurer machen, als sie sein müsste.

    Anlagensplitting bringt Energiekostenvorteile

    Eine bessere Wahl ist das sog. Anlagensplitting (Abb.  3). Kompressoren lassen sich i. d. R. je nach ihrer Funktion in Grund-, Mittel- und Spitzenlastanlagen oder als Standby-Kompressor klassifizieren. Grundlast bedeutet, dass die Druckluftmenge, die ein Betrieb grundsätzlich ständig benötigt, immer zu 100  % sicher abgedeckt ist. Ergänzt werden sie durch die Spitzenlast-Anlagen. Diese liefern die in Spitzenlastzeiten zusätzlich benötigten Mengen, die aufgrund verschiedener Verbraucher unterschiedlich groß ausfallen. Um die Station zu komplettieren, werden außerdem Stand-by-Anlagen integriert, die bei einem unwahrscheinlichen Ausfall der Grundlastanlagen die Versorgung des Betriebes mit Druckluft sicherstellen. Ob hierbei eine Lösung mit drehzahlgeregelter Spitzenlastanlage oder kleineren, starr schaltenden Spitzenlastanlagen die bessere Variante ist, lässt sich mithilfe eines Audits des tatsächlichen Druckluftbedarfs mit anschließender Simulation herausfinden.

    Um die diversen Lastfunktionen so gut wie möglich erfüllen zu können, sollten die Kompressoren mit integrierten Steuerungen ausgestattet sein. Diese Steuerungen sind dazu da, um bei einem Ausfall eines übergeordneten Druckluftmanagementsystems den Kompressorenbetrieb und damit die Druckluftversorgung aufrechtzuerhalten. Hierbei werden Vollast-Leerlauf-Aussetzregelung mit fest eingestellten Leerlaufzeiten (Dualregelung), Vollast-Leerlauf-Aussetzregelung mit automatischer Wahl der optimalen Betriebsart (Quadroregelung), Dynamikregelung (basierend auf der Dualregelung, mit Leerlaufzeiten in Abhängigkeit von der Temperatur des Antriebsmotors) und Varioregelung mit variabel berechneten Leerlaufzeiten unterschieden. Dabei reduzieren die 3 letztgenannten Regelungsarten den Leerlaufanteil der Kompressoren bedarfsbedingt auf das mögliche Minimum.

    Ein wichtiger Aspekt ist die Abstimmung der Leistungsgrößen der Kompressoren aufeinander. Für eine tadellose Regelung mehrerer Kompressoren ist die Dimensionierung der einzelnen Anlagen entscheidend. Somit sollte die Summe der Liefermengen der mindestens 2 gleich großen Spitzenlast-Kompressoren immer größer sein als die Liefermenge des nächst größeren Mittellast- oder Grundlast-Kompressors. Die Summe der Liefermengen dieser Kompressoren sollte wiederum größer sein als die Liefermenge des nächst größeren schaltenden Kompressors usw. (Beispiele in Abb.  4).

    Maschinenübergreifende Steuerung

    Der eigentliche „Manager“ des Druckluftsystems ist jedoch die maschinenübergreifende Steuerung (Abb.  5). Ähnlich wie der Dirigent eines Orchesters sorgt sie einerseits dafür, dass die einzelnen Komponenten des Druckluftsystems bedarfsgenau ihren optimalen Einsatz finden und perfekt zusammenarbeiten, und kommuniziert andererseits mit den übergeordneten Leitstellen bzw. externen Dienstleistern, wenn dies erwünscht ist.

    Innovative Steuerungen erfassen heute nicht mehr nur Schaltverluste, sondern sämtliche die Druckluftstation beeinflussende Dimensionen, einschließlich denjenigen von Peripher-Komponenten oder Umgebungsbedingungen.

    Sie berechnen nicht nur das erreichbare Optimum, sondern steuern und überwachen auch alle angeschlossenen Komponenten entsprechend – selbstverständlich immer orientiert am aktuellen Bedarf des Betriebs (Abb.  6). Durch die vorausschauende Betrachtung kann der Erzeugungsdruck auf den tatsächlichen Bedarfsdruck gesenkt werden. Die Folge ist eine erhebliche Energieeinsparung. Durch kontinuierliche Überwachung und Optimierung in Echtzeit wird bestmögliche Effizienz erreicht.

    Die Steuerung optimiert nicht nur den Energiehaushalt, sie zeichnet auch alle besonders für die Pharmaindustrie sicherheitsrelevanten Daten der Kompressoren, der Aufbereitung und der Qualität usw. auf, sodass jeglicher Zustand jederzeit nachvollzogen werden kann.

    Gleichzeitig fungiert die maschinenübergreifende Steuerung als Bindeglied zwischen lokaler Druckluftstation und Leitstand des Betreibers oder aber (falls der Betreiber die Überwachung Spezialisten auf dem Gebiet der Drucklufterzeugung überlassen möchte) als Bindeglied zur Fernüberwachung durch Echtzeitanalyse beim Hersteller der Druckluftstation. Letzteres ermöglicht zusätzlich eine Nutzung des Druckluftsystems im Sinne von Industrie 4.0 und z. B. auch Dienstleistungen wie vorausschauende Instandhaltung.

    Vorausschauende Instandhaltung heißt, dass es keine festgelegten Wartungsintervalle mehr gibt, sondern dass die Wartung bedarfsorientiert erfolgt. Das ist dann möglich, wenn die Druckluftstation in Echtzeit von Spezialisten fernüberwacht wird. Durch diese Fernüberwachung ist eine rechnergestützte, konstante Analyse des „Gesundheitszustandes“ einer Station möglich, was wiederum zur Früherkennung potenzieller Schwierigkeiten führt. Auch Kapazitätsengpässe oder nicht mehr passende Auslegung der Station lassen sich auf diese Art und Weise frühzeitig erkennen. Dank der ständig verfügbaren Daten wird ein Energiemanagement nach ISO 50001 zum Kinderspiel. All dies gewährleistet nicht nur höchstmögliche Verfügbarkeit der Druckluft, sondern gleichzeitig auch möglichst niedrige Lebenszykluskosten.

    Natürlich spielt Datensicherheit in diesem Zusammenhang eine große Rolle. Leistungsdaten sollten ausschließlich über geschlossene Netzwerke übertragen werden, ein Zugriff auf die Daten von außen nicht möglich sein. Die Strukturen der Netzwerke sollten den Empfehlungen des Bundesamtes für Sicherheit in der Informationstechnik entsprechen. Grundsätzlich empfiehlt sich ein System, das auf Ethernet basiert, da sich abzeichnet, dass Ethernet zum künftigen Standard der Branche werden wird. Entsprechend sollten die Komponenten einer Druckluftstation durch zahlreiche Schnittstellen und einfache Möglichkeiten der Updates zukunftssicher sein.

    Zusammenfassend lässt sich sagen: intelligent vernetzte Druckluftsysteme liefern in ultraflexiblen Industrie-4.0-Produktionsumfeldern zuverlässig die situativ jeweils geforderte Druckluftleistung und -qualität. Zudem werden durch Direktüberwachung und -analyse durch Spezialisten Auffälligkeiten im Druckluftnetz bereits sehr frühzeitig erkannt, sodass Serviceeinsätze gezielt erfolgen können, noch bevor ein Defekt auftritt. Echtzeit-Informationen machen dies möglich. Die Wirtschaftlichkeit und die Flexibilität der Produktion können dadurch insgesamt gesteigert werden, da Serviceeinsätze nur noch bedarfsorientiert erfolgen. Besonders für die Pharmaindustrie stellt dieses System einen enormen Zuwachs an Sicherheit in dem für die Produktion und Entwicklung wichtigen Bereich der Drucklufterzeugung und -aufbereitung dar (Abb.  7).

    Alternatives Betreibermodell

    Neben dem klassischen Kauf eines Druckluftsystems gibt es noch weitere Möglichkeiten, sich eine Druckluftversorgung „ins Haus“ zu holen. Gerade in Zeiten starker Schwankungen der wirtschaftlichen Entwicklung lohnt es sich, darüber nachzudenken, statt auf eine eigene Druckluftstation auf Contracting zu setzen.

    Contracting bietet gegenüber dem herkömmlichen Betrieb von Druckluftanlagen viele Vorteile. Der Betreiber kommt sofort in den Genuss einer wirtschaftlichen, energiesparenden Druckluftversorgung, ohne eine Anfangsinvestition tätigen zu müssen. Planung, Installation und Betrieb übernimmt der Contracting-Partner nach Anforderungen und Maßgabe des Betreibers. So spart sich der Anwender die Investitionen in eine Druckluftstation, ist personell und finanziell von Wartung und Instandhaltung entlastet. Zudem wandelt er feste in sofort steuerlich nutzbare variable Betriebskosten um, indem er nur die Druckluft zu einem vertraglich festgelegten Kubikmeterpreis abnimmt. Betrieb und Betreuung der Druckluftversorgung durch den Systemanbieter sorgen für höchst energieeffizienten und zuverlässigen Betrieb, da der Anbieter selbst daran interessiert ist, die Station an geänderte Betriebsbedingungen oder den jeweils neusten Stand der Technik anzupassen. Und auch bei der Wartung gibt es Vorteile: Höchstmögliche Effizienz und Druckluftverfügbarkeit werden durch die jeweils neueste energiesparende Technik, kostengünstige Ferndiagnose und vorbeugende Wartung gewährleistet.

    Anwender, die sich dafür entscheiden, statt einer kompletten Kompressorenstation nur Druckluft in der benötigten Menge und Qualität zu kaufen, verbessern die Kostentransparenz ihres Betriebes: An Stelle einer Mischkalkulation tritt der Festpreis pro Kubikmeter Druckluft, der langfristig vertraglich festgelegt wird und somit eine verlässliche Kalkulationsgrundlage darstellt. Der für die gesamte Vertragslaufzeit angesetzte Grundpreis deckt Anlagen- und Betriebskosten sowie die Abnahme einer Druckluft-Grundmenge ab. Für darüber hinausgehende Druckluftlieferungen gilt ein ebenfalls vertraglich festgelegter Mehrmengenpreis. Exakte Messungen garantieren, dass nur die Druckluftmenge berechnet wird, die tatsächlich dem Netz entnommen wird.

    Contracting ist v. a. dann eine sehr interessante Variante der Druckluftversorgung, wenn es um eine schnelle Steigerung der Energieeffizienz geht. Besonders wenn Unternehmensleitungen sehr kurze Amortisationszeiten (etwa von 2 Jahren) vorgeben, ist die Anzahl der möglichen Energiespar-Maßnahmen sehr beschränkt, z. T. wird sogar wissentlich auf Modernisierung verzichtet. Outsourcing bietet hier eine elegante Alternative.

    Die Einsparmöglichkeiten durch Druckluft-Contracting sind unterschiedlich hoch. Wenn ein Unternehmen auf Druckluft-Contracting „umsteigt“, installiert der Contracting-Partner i. d. R. ein komplett neues Druckluftsystem, sodass alle Energie-Einsparpotenziale ausgeschöpft werden. Die tatsächlich erreichbaren Druckluft-Minderkosten sind abhängig von der ersetzten Anlage; 30  % Ersparnis sind keine Seltenheit. Und zwar dauerhaft, aus Eigeninteresse der Contracting-Partner, der die Druckluft zum Festpreis abgibt, sodass die Anlagen so effizient und wirtschaftlich wie möglich betrieben werden. So wird er stets die modernste Technik einsetzen, wozu energieoptimierte Kompressoren mit hohem Wirkungsgrad ebenso gehören wie intelligente Druckluft-Managementsysteme. Sie erlauben es dank effizienter Druckbandsteuerung, den System-Höchstdruck zu reduzieren und damit den Energieverbrauch drastisch zu senken.

    Zusammenfassend lässt sich sagen, dass es heute eine Vielzahl unterschiedlicher Möglichkeiten gibt, die eigene Druckluftversorgung effizient, kostengünstig und zuverlässig zu gestalten. Wer optimal versorgt sein will, sollte sich allerdings einen Anbieter suchen, der ein komplettes System im Sinne von Industrie 4.0 zur Verfügung stellt: Von der Planung über die Implementierung, die Überwachung und den Betrieb bis zur laufenden Optimierung und Weiterentwicklung (Abb.  8). Auf diese Art lassen sich die in den jeweiligen Lebensphasen vorhandenen Vorteile am besten ausschöpfen und die Druckluftversorgung zukunftstauglich aufstellen.

    Verweise

    *)Teil  1 der Serie ist erschienen in TechnoPharm 7, Nr.  4, 210-215 (2017); Teil  2 in TechnoPharm 7, Nr.  5, 284-288 (2017); Teil  3 in TechnoPharm 7, Nr.  6, 348-353 (2017); Teil  4 in TechnoPharm 8, Nr.  1, 30-35 (2018); Teil  5 in TechnoPharm 8, Nr.  2, 110-114 (2018).
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