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Eine energiesparende Filtrationstechnologie

Wege aus der Energiekrise

Der Weg aus der Energiekrise muss durch konsequente Realisierung aller Einsparpotenziale begleitet werden. Das erfordert viel Einsatz und Kooperation mit Unternehmen die Lösungen anbieten, mit denen es möglich ist, auch kurzfristig extreme Kostensteigerungen in der Gas- und Stromversorgung abzumildern.

Bild 1: UltraPleat™-Energiesparfilter mit elektronischen Kondensatableitern eingesetzt für die Druckluftversorgung von hochsensiblen Prozessen unter Reinraumatmosphäre.

Bei der Suche nach Einsparpotenzialen fällt immer wieder die für die Industrie unverzichtbare Druckluftversorgung auf, denn diese Energieform wird von den Unternehmen selbst produziert; ihre Kosten sind also direkt beinflussbar.

Und weil hier buchstäblich „der Teufel im Detail“ steckt, sind Spezialisten für die verschiedenen Ebenen von der Erzeugung über die Aufbereitung und Verteilung bis hin zur benötigten Druckluftqualität am Punkt des Verbrauchs gefragt. So ist es Donaldson als einem der führenden Filterhersteller gelungen, im Geschäftsjahr 2021 durch gezielte Maßnahmen bei der Druckluftversorgung in seinen amerikanischen Werken 460.000 kWh Strom einzusparen (Quelle: Donaldson Sustainability Report, Fiscal Year 2021). Der Schwerpunkt der Einsparbemühungen liegt traditionell bei den Druckluftkompressoren. Ihr Stromverbrauch ist einfach erfassbar und die technologische Entwicklung der Verdichter und ihrer Steuerung scheint bei den maßgeblichen Konstruktionsprinzipien bezogen auf die Reduzierung des Strombedarfs an Grenzen zu stoßen.

Wo kann man also ansetzen, wenn modernste Erzeugung praktiziert, die Daten digital erfasst werden und auch die Bekämpfung von Leckagen in einem gut ausgelegten Druckluftnetz erfolgreich ist (Bild 1)?

Bild 2: Einlassluftfilter verhindern, dass Schwebeteilchen in den Kompressor gelangen

Die Vermeidung von Druckverlusten ist eine permanente Aufgabe und eine der wirkungsvollsten Stellschrauben auf dem Weg zu mehr Energieeffizienz. Und dabei spielt die Filtrationstechnologie eine entscheidende Rolle. Schon eine verbesserte Einlassluftfiltration (Bild 2) hat beim Kompressionsvorgang Einfluss auf die nachgeschalteten Filterkomponenten (Bild 3) und damit auch auf die Druckluftaufbereitung. Bis der Energieträger „Druckluft“ die Aktoren, die pneumatischen Steuerelemente und in vielen Einsatzbereichen seine Aufgabe als Prozessluft erreicht, kann im Minimum von etwa sechs bis zu einigen hundert anwendungsspezifischen Filtern ausgegangen werden. Und jede Filtrationsleistung bedeutet Druckverlust, der durch höheren Energiebedarf der Kompressoren ausgeglichen wird.

Bild 3: Luft-/Ölabscheider sind die letzte Station, bevor die Luft den Kompressor verlässt

Der Einfluss der Filtrationstechnologie auf den Energiebedarf darf also nicht unterschätzt werden. Die Forschung und Entwicklung bei Donaldson hat sehr frühzeitig erkannt, dass die Wechselwirkung von Filtrationsleistung und Differenzdruck durch den Aufbau der Filtermedien so gestaltet werden kann, dass erhebliche Energieeinsparpotenziale erzielt werden können.

Die Erfolgsfaktoren der UltraPleat™-Technologie …
Bild 4

Die Filtrationstechnologie UltraPleat™ (Bild 4) nutzt eine neue Struktur beschichteter Hightech-Fasern, die zu einem plissierten Filtermedium mit hoher Abscheideleistung von Flüssigpartikeln und großer Aufnahmekapazität für Feststoffpartikel verarbeitet werden. Der mehrschichtige Aufbau des neuen Filtermediums wurde so gestaltet, dass sich strömungstechnisch optimale Verhältnisse ergeben und gleichzeitig eine über 400% größere Filterfläche im Vergleich zu gewickelten Filtermedien zur Verfügung steht.

Bild 5: Ein 300 mbar geringerer Differenzdruck bei 8.000 Betriebsstunden spart pro UltraPleat™-Energiesparfilter im Jahr rund 4.700,00 €

Für die Abscheidung von Öl-Aerosolen wird eine Effizienz von ≥ 99,9 % gemäß ISO 12500-1:2007 erzielt. Die Filterleistungsdaten nach ISO 12500-1 und ISO 12500-3:2009 sind zudem von einem unabhängigen Institut für Energie- und Umweltforschung validiert worden. Dass diese hohe Filtrationsleistung bei gleichzeitiger Senkung des Differenzdrucks um weitere 50 % erzielt werden konnte, unterstreicht die erfolgreiche Entwicklung dieser Filtrationstechnik zur Steigerung der Energieeffizienz und der Ressourcenschonung (Bild 5). Eine einfache Beispielrechnung zeigt den großen wirtschaftlichen Vorteil dieser Technologie: Ein nur 300 mbar geringerer Differenzdruck bei 8.000 Betriebsstunden spart pro UltraPleat™-Filter im Jahr rund 4.700 € (7 bar Netzdruck, 110 kW installierte Kompressor-Leistung, 0,18 €/kWh).

…und Strömungsoptimierte Filtergehäuse mit Economizer
Bild 6: Der Economizer misst kontinuierlich den Differenzdruck, zeigt den wirtschaftlichsten Austauschzeitpunkt für das UltraPleat™-Filterelement an und kann die Daten für die übergeordnete Steuerung des Druckluftsystems bereitstellen.

Die hohe Effizienz der innovativen Filterelemente wird in den strömungstechnisch optimierten Filtergehäusen voll ausgeschöpft. Voraussetzung dafür ist jedoch die kontinuierliche Überwachung des Differenzdrucks über die gesamte Einsatzdauer der Koaleszenz- bzw. Partikel-Filterelemente. Sie sollten ausgetauscht werden, wenn die Energiekosten des steigenden Differenzdrucks durch die Filtrationsleistung die Investitionskosten für ein neues Filterelement erreichen. Die Anzeige für den wirtschaftlichsten Austauschzeitpunkt erfolgt in der Standardausführung durch das Econometer oder durch den Economizer (Bild 6), der kontinuierlich den Differenzdruck misst. Der integrierte Mikroprozessor wertet die Messdaten aus und vergleicht die durch den Druckverlust steigenden Energiekosten mit den Kosten für ein neues Filterelement. Der so berechnete wirtschaftlichste Austauschzeitpunkt wird durch Leuchtdioden angezeigt und – sofern es die digitalen steuerungs- und wartungstechnischen Voraussetzungen zulassen – an die übergeordnete Steuerung der Druckluftstation übertragen.

Große Volumenströme verlangen individuelle Lösungen
Bild 7: Austausch von Filterelementen in der Druckluftversorgung. Größere Volumenströme verlangen individuelle Lösungen mit auf den Einsatzfall abgestimmten Gehäusen.

Bei größeren Druckluftvolumenströmen, die individuelle Lösungen mit auf den Einsatzfall abgestimmten Gehäusen (Bild 7) verlangen, ergibt sich die Frage, ob die Messergebnisse der DF-UltraPleat™-Standardbaureihe „hochskaliert“ werden können. Dazu Wolfgang Bongartz, Engineering Manager bei Donaldson in Haan: „Seit Prüfstände auch für große Filterleistungen bei unabhängigen Instituten zur Verfügung stehen, haben wir eine verlässliche Datenbasis. Die Struktur der Filter wurde für die verschiedenen Filtergrade optimiert. Mit der Validierung der neuen Elemente nach ISO 12500-1 und 12500-3 ist eine umfassende Vergleichbarkeit der Leistungsdaten gegeben. Für den Anwender bedeutet dies: lange Standzeit der Elemente bei gleichbleibend niedrigem Differenzdruck − dem entscheidenden Parameter für die Energieeinsparung.“

Bild 8: Viele Millionen Druckluftfilter sind weltweit im Einsatz. Der nachhaltige Einfluss von Energiesparfiltern ist ein nicht zu unterschätzender Faktor zur Senkung der CO2-Belastung

Auf den Einsatz von vielen Millionen Druckluftfiltern die weltweit eingesetzt werden hochgerechnet, ist dies ein nicht zu unterschätzender Faktor zur Senkung der CO2-Belastung. − Und auch „Grünstrom“ gibt es nicht umsonst (Bild 8).

Wie Trockner energiesparend Hochleistung erreichen
Bild 9: Die Energiebilanz der Trocknersysteme wird durch den Einsatz von UltraPleat™ Energiesparfiltern positiv beeinflusst.

Nur mit ausgereifter Filtrationstechnologie, lässt sich die notwendige Trocknung der Druckluft bis hin zur Sterilfiltration am Punkt des Verbrauchs erreichen. Die auf den Einsatz abgestimmten Aufbereitungskonzepte mit denen die Vorgaben der ISO 8573-1:2010 mit den Qualitätsklassen 1-2:1-2:1-2 sowie 0 erfüllt werden, nutzen Trocknersysteme, die mit den UltraPleat™-Energiesparfiltern ausgerüstet sind (Bild 9).

Für den wirtschaftlichen Einsatz von Adsorptionstrocknern ist die Wahl des Regenerationsverfahrens unter Berücksichtigung der Einsatzbedingungen von entscheidender Bedeutung. Steht Kompressorwärme zur Verfügung, so kann diese im sogenannten Heat of Compression (HOC)-Verfahren wirtschaftlich zur Regeneration genutzt werden. Die Zykluszeit liegt hier bei 3,5 - 5,5 Stunden. Steht Prozesswärme zur Verfügung, so ist eine weitere Verbesserung der Energiebilanz möglich.

Für hohe Druckluftqualität am Punkt des Verbrauchs
Bild 10: Ultrapac™ Smart „Plug & Play“ Aufbereitungssystem (links unten) eingesetzt beim Test eines LifeTec™-Sterilfilters.

Wird z.B. eine besonders hohe Druckluftqualität entsprechend den Druckluftqualitätsklassen nach ISO 8573-1:2010 nicht für alle Verbraucher benötigt, so hat dies Auswirkungen auf die Auslegung der zentralen Aufbereitung und des Druckluftnetzes. Besonders hohe Qualitätsstufen können dann wirtschaftlicher am Ort des Verbrauchs durch den Einsatz des Aufbereitungssystems Ultrapac™ Smart (Bild 10) erreicht werden. Zehn Größen mit Nenndurchflüssen von 5 bis 100 m³/h stehen zur Verfügung. Mit dem integrierten.

UltraPleat™ Vorfilter werden Feststoffpartikel und Schwebstoffe sowie Flüssigkeitsaerosole (Öl/Wasser) zurückgehalten. Die Adsorptionstrocknerstufe adsorbiert die Feuchtigkeit bis zu einem Drucktaupunkt von -70 °C, bei 70 % Nennlast (Standard -40 °C). Im letzten Schritt werden verbleibende Feststoffpartikel bis zu 0,01 μm im integrierten UltraPleat™      Nachfilter zurückgehalten. 

Fazit:

Auf dem Weg zu einer klimaneutralen Produktion ist die Filtration von Druckluft und Gasen ein positiv beinflussbarer Faktor. Mit innovativen Filtermedien und strömungsoptimierten Filtergehäusen sind hohe Energieeinsparpotenziale realisierbar. Bei Einsatz nur eines Energiesparfilters der neuesten Generation können die Energiekosten bei einem Strompreis von 0,18 € /kWh um rund € 4.700,00/Jahr gesenkt werden. Durch den hohen Druckluftbedarf wirkt sich dies besonders in der Prozessindustrie aus. Für die Erzeugung der hohen Druckluftqualität nach Vorgaben der ISO 8573-1:2010 mit den Qualitätsklassen 1-2:1-2:1-2 sowie 0 sind weltweit hunderttausende Filter eingesetzt. – Ein bemerkenswerter Faktor zur Senkung der CO2-Belastung!

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