Drehzahlgeregelte Kompressoren von Atlas Copco sparen Energie bei Styroporverarbeitung

Transportverpackungen für Wasch- und Spülmaschinen, Flaschenverpackungen, Thermoboxen für die Pharmaindustrie, Nackenstützen von Autokindersitzen oder Modellbauteile: Die Palette an Produkten, die die Schlaadt Plastics mittels kleiner Kunststoffkügelchen herstellt, ist breit. „Expandierbare Schäume bieten viele konstruktive Möglichkeiten“, sagt Thomas Schmitt, der die Anlagentechnik bei Schlaadt in Lorch am Rhein sowie zwei weiteren Standorten verantwortet. „Dabei sind die Verpackungen für Haushaltsgeräte durchaus anspruchsvolle Teile, denn sie sollen leicht sein, das Gerät gut schützen und nicht nachgeben, wenn sie mit Gabelstapler-Klammern angefasst werden.“ Die Fertigung sei also durchaus „tricky“.

In Lorch stellt Schlaadt unter anderem solche Schutzverpackungen, aber auch Logistikelemente und Crashschutz-Teile für den Automotive-Sektor aus expandiertem Polystyrol (EPS) und Polypropylen (EPP) her. „Eine weitere Eigenschaft der leichten Materialien ist die gute Dämpf- und Dämmfähigkeit, denn die fertigen Produkte bestehen zu über 98 Prozent aus Luft“, sagt Schmitt. Um die millimeterkleinen Kunststoffgranulate zu verarbeiten, müssten sie zunächst vorgeschäumt werden, wobei sie expandieren und ihre typische Kugelform erhalten. „Das Granulat enthält das Treibgas Pentan. Im Vorschäumer wird es mit Wasserdampf aufgeheizt“, erklärt der Experte, „bei diesem Prozess werden die einzelnen Perlen erst weich, dann expandieren sie um das 20- bis 50-fache – je nachdem, zu welchem Produkt sie anschließend weiterverarbeitet werden sollen.“ Je größer die Perlen, desto spezifisch leichter sei das Endprodukt.

Von der Holz- zur Kunststoffverarbeitung

Zur Kunststoffverarbeitung kam Schlaadt in den späten 1950er Jahren. Bis dahin hatte man ein Sägewerk betrieben und Parkettböden hergestellt. Holz wurde immer weniger gefragt, ein weiterer Wirtschaftszweig sollte etabliert werden. Als eines der ersten Unternehmen weltweit erhielt Schlaadt, das in dieser Zeit von Sankt Goarshausen nach Lorch am Rhein umzog, die Lizenz zur Verarbeitung von EPS – besser bekannt unter dem von BASF kreierten Namen „Styropor“. Dazu war Wasserdampf als zentrale Prozessenergie erforderlich, der sich idealerweise mithilfe der Holzabfälle aus dem Sägewerk billig erzeugen ließ.

Ende der 1980er Jahre wurde der Kunststoffzweig erweitert; Schlaadt begann in Lorch mit der EPP-Fertigung. Damit wuchs auch der Bedarf an der zweiten wesentlichen Prozessenergie, der Druckluft. Die Druckluftversorgung baute Schlaadt seither Schritt für Schritt auf und aus. Heute wird der gesamte Standort von insgesamt elf öleingespritzten GA-Schraubenkompressoren von Atlas Copco versorgt. Dabei stammen die ersten GA-Maschinen des Essener Herstellers – mit jeweils 110 Kilowatt (kW) installierter Motorleistung – aus den 1990er Jahren; die neuesten Kompressoren mit jeweils 75 kW hat Schlaadt erst kürzlich angeschafft. Dabei handelt es sich um drei GA 75+ FF mit fester Drehzahl sowie einen GA 75 VSD FF mit Drehzahlregelung.

Formteilautomaten benötigen viel Druckluft

„Wir benötigen Druckluft in erster Linie für unsere insgesamt 50 Formteilautomaten, in denen der vorgeschäumte Kunststoff in die vorgesehene Form gebracht wird“, erklärt Schmitt. Aus den Silos wird das vorgeschäumte Material in die Maschine gefördert. Dort werden die Perlen in die individuell für Kunden angefertigten Werkzeuge gepresst und ein zweites Mal mit Wasserdampf beaufschlagt, so dass sie sich abermals ausdehnen. Da im Werkzeug nicht beliebig Platz ist, verbinden sich die einzelnen Perlen miteinander zu einer festen Masse. So entstehen die Formteile, die sich noch im Werkzeug stabilisieren und dann mit Druckluftunterstützung ausgeworfen werden. Auf diese Weise stellt Schlaadt auch 4 m x 1,25 m x 1 m große EPS-Blöcke her, die anschließend für bestimmte Endprodukte zugeschnitten werden. „Für den Formungsprozess benötigen wir zwei Drittel der Luft, die unsere Kompressoren hier erzeugen“, sagt Schmitt. Das verbliebene Drittel werde vorwiegend als Steuerluft für Zylinder und Ventilantriebe verwendet. Ein bisschen Druckluft verbrauchen außerdem die Druckluftwerkzeuge, mit denen die Formwerkzeuge der Formteilautomaten gewechselt werden. Sage und schreibe etwa 5000 aktive Formwerkzeuge hält Schlaadt vorrätig.

Drehzahlgeregelte Kompressoren passen sich effizient den hohen Bedarfsschwankungen an

Eine Herausforderung ist, dass die Produktion schlagartig große Mengen an Druckluft verzehrt. Mit ungeregelten Kompressoren, wie Schlaadt sie in Lorch früher einsetzte, wurde viel Druckluft verschwendet. Denn sie können nur unter Volllast oder im Leerlauf betrieben werden und sich nicht an Mehr- oder Minderbedarfe anpassen. „Zwei alte, ungeregelte GA-Schraubenkompressoren mit 110 Kilowatt Leistung stehen noch in unserer kleineren Druckluftstation“, sagt Schmitt. „Heute werden sie aber von zwei drehzahlgeregelten Kompressoren ergänzt.“

Den ersten Schritt in Richtung Drehzahlregelung – und damit zu mehr Energieeffizienz – machte Schlaadt 2007: „Damals kaufte das Werk in Königsbronn einen drehzahlgeregelten Kompressor – auch von Atlas Copco“, erzählt er weiter. Das sei letztlich auch der Durchbruch für den Lorcher Standort in Richtung effizientere Drucklufterzeugung gewesen. „Wir holten eine erste Leihmaschine des Typs GA VSD nach Lorch, die nach Messungen viel Potenzial zur Energieeinsparung versprach“, blickt Schmitt zurück. Das Kürzel VSD bedeutet „Variable Speed Drive“ und weist auf die Drehzahlregelung des Kompressorenantriebs hin. Dadurch wird die Erzeugung exakt dem Druckluftbedarf im Werk angepasst. In der Folge tauschte man mehrere alte, ungeregelte Kompressoren anderer Hersteller gegen moderne und effizientere GA-Schraubenkompressoren aus: 2016 wurden zwei GA 90 VSD FF in die kleinere Station integriert, die nun jeweils abwechselnd mit einer der beiden alten 110-kW-Maschinen kooperieren und die EPS-Produktion versorgen.

Große Station mit mehr Leistung für höhere Redundanz

2017 baute Schlaadt die Druckluftversorgung in der großen Station für die EPP-Produktion aus. „Hier laufen heute sechs GA-Kompressoren mit 75 kW und einer mit 90 kW Leistung“, fasst Schmitt zusammen. „Wir haben insgesamt etwas mehr Leistung eingebaut, um mehr Redundanz zu erhalten.“ Drei 75er sind drehzahlgeregelt (VSD), drei weitere – die Typen GA 75+ FF – tragen ein „Plus“ im Namen. „Die neuen GA+-Modelle sind noch stärker auf Effizienz getrimmt als die Vorgängergeneration“, erklärt Stefan Fischer, Technischer Berater bei Atlas Copco, der Schlaadt bei der Auslegung der Druckluftversorgung unterstützte. „Damit haben wir hier die derzeit besten verfügbaren Maschinen zu einer äußerst wirtschaftlichen Lösung kombiniert.“ Die vertikale Anordnung des Antriebsstranges mit der kraftschlüssigen Verbindung zwischen dem Rotor des Permanentmagnetmotors und dem Hauptläufer der Verdichterstufe sowie neuartige Verdichtungselemente steigerten die Effizienz zusätzlich. „Bei den Kompressoren mit FF-Kürzel am Ende sind außerdem bereits Kältetrockner sowie Druckluftfilter und Kondensatableiter ab Werk in das Plug-and-play-Gehäuse integriert“, sagt Fischer. Auch eine Wärmerückgewinnung lasse sich bei diesen Maschinen leicht umsetzen.

Investition mit BAFA-Förderung

Wegen der deutlich gesteigerten Energieeffizienz sei die Investition 2017 vom BAFA gefördert worden, ergänzt der Atlas-Copco-Berater: „Die Kompressoren arbeiten viel effizienter, und die Stromaufnahme ist durch die Drehzahlregelung wesentlich geringer; denn es wird nur Druckluft produziert, wenn die Fertigung sie auch benötigt.“ Im Vergleich zu einer schlecht ausgelasteten Volllast-Leerlauf-Lösung ließen sich durch den Einsatz drehzahlgeregelter Kompressoren bis zu 50 Prozent Energie einsparen, betont Fischer. Eine Station sei zudem bereits anschlussfertig zur Wärmerückgewinnung vorbereitet und werde dann die Gebäudeheizung unterstützen.

Neben dem Kostenfaktor kam auch der Umweltaspekt der Unternehmensphilosophie von Schlaadt sehr entgegen, die mit einem eigenen Recycling-Werk auf dem Lorcher Firmengelände daran arbeiten, Ressourcen effizient zu nutzen. „Die Schlaadt Recycling recycelt Partikelschaum-Produkte sowie Produktionsabfälle“, sagt Schmitt. Das Unternehmen arbeite daran, die Verwertungsquote von 70 % weiter zu erhöhen.

Zentrale Steuerungen für jede Station

Beide Druckluftstationen werden von je einer eigenen übergeordneten Steuerung optimiert: das Energiesparsystem ES 6 regelt die kleinere, ein ES 8 die Maschinen der großen Station. Sie verbessern die Leistung der Drucklufterzeugung weiter, indem sie die Kompressoren optimal auslasten, ineffiziente Laufzeiten vermeiden und so Energie sparen. Die Effizienz ließe sich jetzt noch durch die Verteilung der Druckluft auf zwei Netze optimieren. „Bisher arbeiten wir komplett mit einem Netzdruck von 7 bar, da alle Lufterzeuger in ein Druckluftnetz speisen“, erklärt Schmitt. Für die Versorgung der Formteile-Automaten genügten im Prinzip 5 bar – womit sich etwa 10 bis 15 % Energie einsparen ließen. Auf der anderen Seite sei die Druckluftqualität für den Entformungsprozess nicht entscheidend, weshalb hier noch keine Trockner angeschlossen sind. Stattdessen setze man vor die entsprechende Formteilmaschine einen Filter, wenn die gefertigten Produkte zumindest theoretisch mit Lebensmitteln in Kontakt kommen könnten, sagt Schmitt: „Ein solcher Kontakt kann zwar eigentlich nicht stattfinden, aber unsere Kunden schreiben in diesem Fall ölfreie Druckluft vor.“

Die Steuerluft müsse im Gegensatz zur Entformungsluft qualitativ hochwertiger sein: „Trocken, staubfrei und wenig ölhaltig.“ Seit 2017 sei die Druckluftqualität insgesamt sehr hoch, da die große Station komplett trockene Druckluft liefere: „Wir haben hier extra die FF-Modelle mit den integrierten Trocknern angeschafft“, erklärt Schmitt, „und bei den älteren GA-Kompressoren haben wir jeweils separate FD-Kältetrockner von Atlas Copco nachgerüstet.“ Hierdurch sei die Produktion insgesamt noch sicherer geworden. Denn durch die aufbereitete Luft arbeiten Regler und Zylinder sauberer, so dass weniger Ausfälle zum Beispiel an den Magnetventilen zu verzeichnen sind.

Druckluftbehälter beruhigen das Netz weiter

Um die starken Druckluftschwankungen optimal auszugleichen, wurden für höhere Bedarfe außerdem große Druckluftkessel angeschafft. „Wir brauchen teilweise überall gleichzeitig Luft“, nickt Schmitt, „und dann wieder nur vereinzelt. Da kamen selbst die VSD-Maschinen mit dem Regeln nicht immer hinterher.“ So schwankt der Bedarf beispielsweise der EPP-Produktion zwischen 600 und 1600 Litern Druckluft pro Sekunde (36 bis 96 m3/min). Hier helfen nun drei Behälter, darunter zwei große mit jeweils 10000 Litern Fassungsvermögen. In der EPS-Produktion stehen derzeit zwei 8000-Liter-Tanks; wenn die neue Halle fertiggestellt ist, sollen weitere hinzukommen.

Für den ausfallsicheren Betrieb der Kompressoren hat Schlaadt mit Atlas Copco einen Wartungsvertrag für fünf Jahre abgeschlossen. Vertrieb und Service arbeiteten bei Atlas Copco gut Hand in Hand, meint Schmitt: „Vor Jahren hatten wir mal ein defektes Verdichterelement. Noch am selben Tag gab uns Atlas Copco das Angebot herein, so dass wir die Reparatur schnell veranlassen konnten.“ Schlaadt produziert übrigens auch in Dillingen an der Donau, Bitzfeld bei Heilbronn, Mülheim an der Ruhr sowie New Bern in den USA, damit die Transportwege zu den Kunden möglichst kurz sind. Und in allen Werken versorgen Atlas-Copco-Kompressoren die Produktion. „Bei so vielen Maschinen müssen wir auch in der Administration auf Effizienz achten“, sagt Schmitt. „Das heißt, wir wollten möglichst alles aus einer Hand und nur einen Ansprechpartner. Das ist uns nun gelungen.“

Autorin: Ulrike Preuß ist Journalistin in Hennef