Turbokompressor von Atlas Copco senkt Energieverbrauch in Calciumkarbid-Werk

„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, so dass wir handeln mussten. Vor fünf Jahren wäre die Modernisierung wirtschaftlich weniger sinnvoll gewesen.“

Nur vier Betriebe in Europa stellen Calciumkarbid her

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 AG entstehen durch Weiterverarbeitung des Kalkstickstoffs in der sogenannten N-C-N-Chemie zu Cyanamid und Dicyandiamid sowie deren Derivaten.

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

Am Standort in Hart werden derzeit jährlich rund 200000 t Feststoffe (Kalk und Kokse) umgeschlagen, die beim innerbetrieblichen Transport über moderne Filteranlagen entstaubt werden müssen. Dabei werden jährlich etwa 3 Milliarden Normkubikmeter (Nm³) an staubhaltiger Luft über verschiedene Filteranlagen abgesaugt und entstaubt. Die größte Filteranlage reinigt die sogenannte Ofenschwaden-Abluft. Sie saugt etwa 150000 bis 180000 m³ Luft pro Stunde ab und gewinnt jährlich rund 1000 t Filterstaub zurück.

Filter werden mit Druckluft-Jetimpulsen gereinigt

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.

Ungeregelter Kompressor war energetisch untragbar

„Bis zum vorletzten Sommer haben wir die Druckluft mit zwei baugleichen, ungeregelten Turbokompressoren erzeugt, die jeweils rund 3200 Kubikmeter pro Stunde 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 pro Stunde 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“.

Dreistufiger Turbokompressor minimiert mechanische Verluste

Stattdessen maß er den Druckluftbedarf im Werk über einige Wochen, der immer zwischen 2400 und 3600 Kubikmetern pro Stunde lag. „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 die mechanischen Verluste minimiert werden. Die dritte Stufe wird von einem baugleichen Motor nach dem gleichen Prinzip angetrieben.

Verzicht auf Lager und Getriebe steigert die Effizienz des Turbos

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.

„Technologisch alles richtig gut“, findet Mußner, „aber es gab eben noch keine Referenzen.“ Doch er will Technologieführer sein, gerade in Deutschland, gerade bei den hohen Umweltschutzauflagen, gerade angesichts der jüngsten ISO-50001-Zertifizierung für das Energiemanagementsystem von AlzChem. „Mit dem ZH 350 können wir 3800 Kubikmeter in der Stunde erzeugen, das wären theoretisch 33 Millionen Kubikmeter im Jahr“, rechnet er hoch. Also auf jeden Fall mehr, als er in den nächsten Jahren benötigen wird. „Damit haben wir eine kleine Reserve, und weil wir uns immer im Regelbereich des Kompressors befinden, selbst wenn wir auf 2800 Kubikmeter runtergehen, vernichten wir keine Energie.“

„Wenn der Strom da ist, müssen wir produzieren können!“

Eine der wichtigsten Anforderungen an den Turbo war für ihn, neben der Energieeffizienz, die Zuverlässigkeit. 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, so dass 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 und stattdessen wohl einen weiteren ZH als Reserve installieren.“

Als weitere Pluspunkte des Turbokompressors hebt Helmut Mußner den geringen Lärmpegel und die interne Verrohrung des Zwischenkühlers hervor: „Unsere alten Kompressoren waren sehr laut, so dass wir aufgrund verschärfter Lärmschutzrichtlinien in den Schallschutz im Maschinenhaus hätten investieren müssen.“ Das konnte sich AlzChem nun ebenfalls sparen. Und was den Zwischenkühler angeht: Dieser ist sehr sparsam, weil zwischen den Verdichtungsstufen angeordnet, womit er die Energieeffizienz des Turbos noch weiter vergrößert. Denn der Luftstrom, der nach der ersten Verdichtungsstufe etwa 100 °C heiß ist, muss sehr schnell auf eine möglichst niedrige Temperatur abgekühlt werden, damit die Luft wieder dichter (weil kälter) wird und mehr Luft in der nächsten Stufe verdichtet werden kann.

Effizienter Zwischenkühler führt Wärme schnell ab

Je wärmer die Luft bliebe, umso dünner wäre sie, was die Effizienz der Folgestufe verringerte. „Atlas Copco hat da einen sehr effizienten Zwischenkühler mit einer großen Oberfläche verwendet, um die Wärme schnell abzuführen“, hat sich Mußner informiert. Die Rohre sind mit Aluminiumrippen ausgestattet, was eine hohe Wärmeabgabe an den Kühler sicherstellt. „Der neue ZH ist also geräuscharm, kompakt und energieeffizient“, fasst er zusammen. „Das Paket stimmte einfach!“

Energiekosten sinken um 70.000 bis 90.000 Euro im Jahr

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“, sagt er. „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.“

Einzig die Kondensatausschleusung sei anfangs einige Male ausgefallen, doch der Kundenservice von Atlas Copco sei sehr schnell vor Ort gewesen und habe den Fehler behoben. „Wir haben nun einen Wartungsvertrag über vier Jahre abgeschlossen“, sagt Mußner. „Der Techniker kommt also regelmäßig vorbei, um die anstehenden Wartungen zu erledigen – und zwischendurch, falls die Maschine einen Fehler melden sollte. Dann wird automatisch die werkseigene Messwarte verständigt und im Zweifelsfalle umgehend der Service angerufen.“