1. Energieeffizienz in der Prozessindustrie

Umweltbedenken werden angesichts der globalen Erwärmung und ihrer weltweiten Schäden immer dringlicher. Viele Unternehmen haben sich verpflichtet, ihren Beitrag zu leisten, und Umweltaspekte – oft durch Energieeinsparungen – in ihre Unternehmensrichtlinien integriert. Während einige Branchen ihre Hauptenergieverbraucher klar identifiziert haben, tun sich Unternehmen im Bereich der Schüttgut- und Pulverhandhabung oft schwer, offensichtliche Wege zur Verbesserung ihrer Umweltbilanz zu finden, die Auswirkungen von Änderungen zu bewerten oder tragfähige Investitionsvorschläge für Energiesparmaßnahmen zu entwickeln.

Dieser Artikel zielt darauf ab, das Energiesparpotenzial aufzuzeigen, das Unternehmen in der Schüttgut- und Pulververarbeitung erschließen können – sowohl im Betrieb als auch in der Planung. Der Fokus liegt auf gängigen Grundoperationen, die in fast allen Schüttgutprozessen vorkommen (pneumatische Förderung, Mischtechnik, Druckluftfilter, etc.). Weitere Einsparquellen können branchenabhängig existieren (z. B. Sprühtrocknung, Luftaufbereitung in der Lebensmittel- oder Pharmaindustrie), werden hier jedoch nicht detailliert behandelt.

Der Artikel enthält Beispiele zur Berechnung von Einsparungen, die dem Leser helfen sollen, die Größenordnung der zu erwartenden Vorteile abzuschätzen und eine fundierte Argumentation für das Management zur Umsetzung der erforderlichen Änderungen zu entwickeln.

2. Wie lässt sich der Energieverbrauch von Schüttgutprozessen reduzieren?

2.1 Pneumatische Förderung: Dilute-Phase (Flugförderung)

Die pneumatische Förderung ist ein Grundpfeiler der Schüttgutverarbeitung und bietet vielseitige Lösungen für den Materialtransport. Die Flugförderung (Dilute-Phase), bei der Feststoffe in der Förderluft suspendiert sind, ist aufgrund ihrer Einfachheit und Anpassungsfähigkeit weit verbreitet. Die Optimierung solcher Systeme ist jedoch entscheidend, um den Energieverbrauch zu senken. Mögliche Modifikationen: Verbesserte Betriebsweisen: Zusammenarbeit mit Experten für pneumatische Förderung, um Förderparameter zu optimieren – insbesondere Gebläsedrehzahl und Feststoffbeladung – für eine höhere Energieeffizienz. Automatisierungsintegration: Einsatz von Zeitschaltuhren und Frequenzumrichtern zur Regelung des Gebläsebetriebs und Reduzierung von Leerlaufverlusten.

In der Schüttgutverarbeitung ist die pneumatische Förderung eine der bevorzugten Lösungen für den Materialtransport zwischen Prozessschritten. Sie ermöglicht flexible Anlagendesigns und bietet guten Produktschutz. Die Flugförderung (Dilute-Phase), bei der Feststoffe in der Förderluft suspendiert sind, ist besonders verbreitet, da sie einfach zu konstruieren und zu betreiben ist.

Das Förderaggregat ist in der Regel ein Roots-Gebläse, das entweder am Anfang (Druck-Flugförderung) oder am Ende (Vakuum-Flugförderung) der Leitung positioniert wird.

Die Praxis zeigt, dass der Betrieb von Förderleitungen oft nicht optimal beherrscht wird. Für die Anlagenfahrer steht zunächst im Vordergrund, dass die Leitung nicht verstopft und den geforderten Durchsatz erreicht. Daher neigen sie dazu, das Gebläse mit hoher Drehzahl zu betreiben, was ihnen sicherer erscheint (was in Wirklichkeit nicht immer zutrifft). Solche Gebläse verfügen über Motoren mit mehreren kW Leistung.

Ein Ingenieur, der Energiesparpotenziale erschließen möchte, kann zunächst eine schnelle Plausibilitätsprüfung durchführen, indem er die Luftgeschwindigkeit in der Förderleitung und das Feststoffbeladungsverhältnis berechnet. Typische Werte für Flugförderleitungen liegen bei 20–30 m/s am Leitungsende und einem Feststoffbeladungsverhältnis von 5–10. Weichen die berechneten Werte deutlich ab (höhere Geschwindigkeit, geringere Beladung), besteht Potenzial, die Gebläsedrehzahl zu reduzieren und Energie zu sparen. Ein Versuch – immer unter Risikoanalyse – kann mit Unterstützung eines Förderungsexperten durchgeführt werden, um die optimalen Förderparameter zu ermitteln.

Beispiel

Ein Gebläse fördert in einer Anlage 4,5 t/h eines Produkts, während sich die Anlage über hohe Produktbruchraten beschwert.

Aktuelle Bedingungen:

• Gebläse bei 100 % Leistung
• Die Leistungsdaten des Gebläses zeigen bei einem Austrittsdruck von 520 mbarü einen Volumenstrom von 1.066 Nm³/h und eine Wellenleistung von 20,6 kW.
• Die Luftgeschwindigkeit bei der Produktaufnahme beträgt unter Austrittsbedingungen 29,8 m/s.
• Das Feststoff-Luft-Verhältnis beträgt 4,5/1,3 = 3,46.

In den meisten Fällen liegt die erforderliche Aufnahmegeschwindigkeit bei 16–20 m/s (ermittelbar durch Erfahrung oder Schätzung über Korrelationen zur Saltationsgeschwindigkeit). Das Feststoffbeladungsverhältnis für Flugförderung sollte zwischen 5 und 10 liegen. Der Ingenieur schlägt einen Versuch vor, das Gebläse langsamer zu betreiben, um 20 m/s am Leitungsanfang zu erreichen.

Neue Bedingungen:

• Gebläse bei 66 % Leistung, Förderluftstrom ca. 700 Nm³/h.
• Der Versuch zeigt einen Druckverlust von 400 mbarü. Die Gebläse-Leistungsdaten werden genutzt, um die Wellenleistung für diese Drehzahl und diesen Druck zu berechnen: 11 kW.
• Das Feststoffbeladungsverhältnis beträgt 4,5/0,858 = 5,2.
• Der Druck ist stabil, und der Ingenieur entscheidet, diese Bedingungen beizubehalten.

Einsparungen lassen sich wie folgt berechnen:

• Die Leitung läuft 8.000 h/Jahr.
• Gesamteinsparung: (20,6 – 11) * 8.000 = 76.800 kWh.
• Strompreis im Land: 10 Cent/kWh.
• Einsparung: 7.680 USD/Jahr.

Interessanterweise führt die Optimierung der Luftgeschwindigkeit zusätzlich zu einer Reduzierung der Materialabriebrate während des Transports und verringert den Rohrverschleiß – was Vorteile in puncto Qualität und Instandhaltung mit sich bringt.

Ein weiterer interessanter Aspekt der Flugförderung ist, dass Leitungen in vielen Fällen ohne Produktförderung betrieben werden! Um die Automatisierung zu vereinfachen und Risiken durch häufiges An- und Abschalten des Gebläses zu vermeiden, neigen Anlagenfahrer dazu, das Gebläse zwischen zwei Produkttransfers einfach weiterlaufen zu lassen. Dies ist eine vermeidbare Energieverschwendung, die leicht durch Implementierung eines Timers behoben werden kann, der das System nach einer bestimmten Zeit automatisch abschaltet. Bei Gebläsen mit Frequenzumrichter kann die Drehzahl während der Wartezeit reduziert werden. Solche Maßnahmen bringen schnell spürbare Einsparungen – und das ohne Investitionskosten.

2.2 Druck-Dichtstromförderung (Dense-Phase)

Optimierungsstrategien: Bewertung des Förderregimes: Überprüfung von Luftgeschwindigkeit und Feststoffbeladungsverhältnis, um den Betrieb im Dichtstrommodus zu gewährleisten und den Druckluftverbrauch zu minimieren. Parameteranpassung: Feinabstimmung von Zeitschaltuhren und Ventileinstellungen für einen effizienten Materialtransport bei minimalem Energieeinsatz. Vermeidung von Spülvorgängen: Unnötige Leitungs-Spülungen nach dem Transport vermeiden, um den Energieverbrauch weiter zu reduzieren.

Auch die Druck-Dichtstromförderung kann eine erhebliche Energieverschwendung darstellen, wenn der Prozess nicht optimal beherrscht oder gewartet wird. Hier wird das Schüttgut durch Druckluft gefördert, die Druckbehälter und die Förderleitung unter Druck setzt. Da die Erzeugung von Druckluft kostspielig ist, führen Überverbräuche schnell zu erheblichen Mehrkosten.

Die Überprüfung der Förderparameter – insbesondere die Berechnung des tatsächlichen Luftmassenstroms für den Produkttransport – ist ein sinnvoller erster Schritt. Die Druck-Dichtstromförderung sollte für niedrige Geschwindigkeiten (typisch 3–8 m/s) und hohe Feststoffbeladungen (typisch > 30) ausgelegt sein. Stellt der Ingenieur fest, dass die Luftgeschwindigkeit deutlich höher und die Feststoffbeladung deutlich niedriger als diese Werte liegt, besteht Optimierungspotenzial. Die Einstellung des richtigen Förderregimes reduziert den Luftverbrauch und generiert Einsparungen.

Beispiel

Eine Anlage transportiert einen Rohstoff im Dichtstrom. Bei der Analyse der Prozessdaten stellt der Ingenieur fest, dass der Druck ungewöhnlich niedrig ist, was ihn veranlasst, das Feststoffbeladungsverhältnis zu berechnen. Die Leitung fördert 4,5 t/h Produkt bei einem Luftverbrauch von ca. 350 Nm³/h.

Aktuelle Bedingungen:

• Feststoff-Luft-Verhältnis = 4.500 / (350 * 1,2) = 10,7.

Ein Verhältnis von 10,7 deutet auf eine geringe Feststoffbeladung hin – die Förderung erfolgt wahrscheinlich NICHT im Dichtstrom. Der Ingenieur konsultiert den Pilotanlagen-Bericht und entnimmt, dass dieses Produkt mit einem Verhältnis von 30 gefördert werden kann.

Neue Bedingungen:

• Der erforderliche Förderluftstrom für ein Verhältnis von 30 lässt sich berechnen: 4.500 / (30 * 1,2) = 125 Nm³/h.
• Ein Versuch wird organisiert. Der Ingenieur passt die Zeitschaltuhren für die verschiedenen Luftventile im System an und erreicht einen stabilen Druck. Der Förderdruck ist zwar höher (aufgrund der größeren Materialmenge in der Leitung), aber die Förderung erfolgt nun im Dichtstrom.

Einsparungen:

• Die Leitung verbraucht 225 Nm³/h weniger Druckluft.
• Kosten für 1 Nm³ Druckluft in der Anlage: 1 Cent.

Die Leitung läuft ca. 4.000 h/Jahr (Batch-Förderung).

• Einsparung: 225 * 4.000 * 0,01 = 9.000 USD.

Dichtstrom-Fördersysteme sollten so ausgelegt sein, dass starke Spülvorgänge am Ende eines Transports vermieden werden (sofern nicht produktspezifisch erforderlich). Die Elimination solcher Spülungen aus der Fördersequenz kann ebenfalls zu Einsparungen führen.

2.3 Filter

Betriebliche Effizienz: Optimierung der Impulsintervalle: Bestimmung der optimalen Impulsintervalle basierend auf Staubbeladung und Filtergröße, um den Druckluftverbrauch zu minimieren. Überwachung des Druckverlusts: Implementierung einer Druckverlustüberwachung zur Verfeinerung der Impulsintervalle und Sicherstellung einer effektiven Filterreinigung ohne unnötigen Energieeinsatz. Nutzung von Automatisierung: Einsatz von Automatisierungssystemen zur Regelung der Impulsintervalle und Synchronisation der Filterreinigung mit den Betriebsanforderungen für eine verbesserte Energieeffizienz.

Viele Filter sind mit einem Druckluft-Impulsstrahlsystem (Pulse-Jet) zur Reinigung ausgestattet – insbesondere Filter an Empfängern von Förderleitungen, die oft mehrere m² groß sind. Die Impulssteuerung erfolgt häufig über einen Timer mit sehr kurzen Intervallen. Bei einem Anlagenbesuch hört man oft Filter, deren Impulsstrahlsystem nicht korrekt eingestellt ist und dadurch Druckluft verschwendet.

Für solche Filter sind Impulsintervalle von 30 Sekunden bis 1 Minute ein guter Ausgangspunkt, der durch Überwachung des Druckverlusts weiter optimiert werden kann. Zudem ist es nicht notwendig, die Filterrückspülung lange nach Beendigung der Förderung weiterlaufen zu lassen. Die potenziellen Einsparungen sind oft höher als von Anlagenbetreibern erwartet – besonders wenn alle Filter einer Anlage berücksichtigt werden.

Beispiel

Ein kleiner Filter mit 6 m² Fläche ist mit einem 10-Liter-Druckluftbehälter (4 barü) für die Reinigung ausgestattet. Der Filter wird alle 15 Sekunden gereinigt, obwohl die Staubbeladung gering ist. Dies veranlasst den Ingenieur, das Intervall auf 1 Minute zu verlängern.

Aktuelle Bedingungen:

• Luftverbrauch/h = (3.600/15) * 4 * 10 = 9.600 l/h = 9,6 Nm³/h.

Neue Bedingungen:

• Luftverbrauch/h = (3.600/60) * 4 * 10 = 2.400 l/h = 2,4 Nm³/h.

Einsparungen:

• Betriebsdauer der Leitung: 8.000 h/Jahr.
• Einsparung: (9,6 – 2,4) * 8.000 = 57.600 Nm³/Jahr.
• Bei Kosten von 1 Cent/Nm³ beträgt die Einsparung 576 USD/Jahr.
• Da in einer Anlage oft viele solche Filter vorhanden sind, können die Einsparungen von einigen hundert bis zu mehreren tausend USD pro Jahr reichen – abhängig von der Filtergröße, da große Filter Druckluftverteiler mit bis zu 30 Litern haben können.

2.4 Mischtechnik (Batch/Charge)

Mischer sind in der Regel mit mehreren-kW-Motoren ausgestattet. Die Optimierung dieser Prozesse führt zwar nicht immer zu extrem hohen Einsparungen, trägt jedoch dazu bei, ein Bewusstsein für Energieeffizienz zu schaffen. Wird dieses Denken auf die gesamte Pulverhandhabungslinie angewendet, leistet es einen positiven Beitrag zu Kosteneinsparungen und Umweltschutz.

Hier geht es darum, die Mischzeit so zu optimieren, dass der Motor des Mischers nur dann läuft, wenn es erforderlich ist. Industrielle Beobachtungen zeigen, dass Chargenmischer (Batch-Mischer) häufig abseits ihres optimalen Betriebsbereichs betrieben werden. Eine ordnungsgemäße Validierung des Mischprozesses hilft dabei, die minimale Mischzeit zu bestimmen, die erforderlich ist, um die vom Hersteller vorgegebene Homogenitätsanforderung zu erreichen. Eine Einsparung von 1 bis 5 Minuten pro Charge kann sich summieren, wenn der Mischer häufig in Betrieb ist. Die Berechnung potenzieller Einsparungen wird im Folgenden erläutert. Allerdings ist der primäre Effekt der Optimierung der Zykluszeit eine Steigerung der Produktionskapazität, was die Produktionskosten senkt, Investitionen in neue Ausrüstung vermeidet und somit erhebliche Einsparungen generiert.

Beispiel

Ein Werk betreibt einen Doppelwellen-Paddelmischer mit einem 15-kW-Motor

Aktuelle Situation

• Gesamtmischzeit = 4 min

Der Ingenieur geht davon aus, dass Doppelwellen-Paddelmischer für kurze Mischzeiten im Bereich von 1–2 Minuten ausgelegt sind. Da Potenzial zur Optimierung besteht, wird eine neue Validierung der Homogenität durchgeführt. Diese zeigt, dass das Gemisch das Homogenitätsziel bereits nach 2 Minuten Mischzeit erreicht.

Neue Situation

• Gesamtmischzeit = 2 min

Einsparungen

• 10 Chargen/h, 5000 h/Jahr (unter Berücksichtigung von Stillstandszeiten für Umrüstung usw.)
• 10 * 5000 = 50.000 Chargen/Jahr
• Einsparung = 50.000 * 2 / 60 * 15 = 25.000 kWh
• Angenommene Kosten: 10 Cent/kWh → Einsparung = 2.500 USD/Jahr

2.5 Gestaltung

Grundsätze für eine energieeffiziente Gestaltung: Vereinfachung der Anlagentopologie: Wählen Sie einfache Anlagentopologien, um Druckverluste und Energieverbrauch zu minimieren. Optimierung der Ausrüstung: Stellen Sie sicher, dass die Dimensionierung der Ausrüstung angemessen ist, um unnötigen Energieverbrauch zu vermeiden. Integration von Automatisierung: Gestalten Sie Automatisierungssysteme so, dass der Betrieb der Ausrüstung optimiert und Energieverschwendung während Leerlaufzeiten minimiert wird. Maximierung des Schwerkraftflusses: Bevorzugen Sie schwerkraftbasierte Materialflüsse, um die Abhängigkeit von mechanischen oder pneumatischen Fördersystemen zu reduzieren und Energie zu sparen.

Obwohl viele Energieeinsparungen durch die Optimierung bestehender Anlagen erzielt werden können, führen bereits in der Planungsphase integrierte Maßnahmen zu besseren ökologischen und wirtschaftlichen Ergebnissen. Die folgenden Empfehlungen sollten bei der Gestaltung einer wettbewerbsfähigen Schüttgut-Handhabungsanlage beachtet werden:

• Einfache Gestaltung der pneumatischen Förderleitung: Zusätzliche Länge und Bögen verursachen zusätzliche Druckverluste und damit höheren Energieverbrauch.
• Ermitteln Sie experimentell die minimale Fördergeschwindigkeit des zu transportierenden Materials. Wie gezeigt, führt eine höhere als erforderliche Geschwindigkeit zu einem erheblichen Mehraufwand an Energie.
• Überprüfen Sie die vom Hersteller berücksichtigten Sicherheitszuschläge: Gebläse sind manchmal überdimensioniert.
• Ein Nachkühler wird oft nach einem Gebläse in Druckförderanlagen für die verdünnte Phase eingesetzt – dies ist jedoch nicht immer erforderlich. Installieren Sie ihn nur, wenn nachgewiesen ist, dass das System oder das Produkt die Temperaturerhöhung durch die Gebläsekompression nicht tolerieren kann.
• Führen Sie für die dichte Phase experimentelle Versuche durch, um die Leitung so zu gestalten, dass ein möglichst hohes Feststoff-Luft-Verhältnis erreicht wird.
• Gestalten Sie das Automatisierungssystem so, dass eine Leitung nicht ohne Produkt läuft. Verwenden Sie einen Timer, um die Leitung abzuschalten, wenn für eine bestimmte Zeit keine Anforderung vorliegt.
• Bevorzugen Sie den Pulverfluss durch Schwerkraft, um den Einsatz von Förderleitungen (mechanisch oder pneumatisch) zu reduzieren.
• Stellen Sie sicher, dass behandelte Luft nicht verloren geht, sondern recycelt wird.

2.6 Instandhaltung

Nachhaltige Effizienz: Regelmäßige Inspektionen: Führen Sie periodische Inspektionen der Druckluftsysteme durch, um Ineffizienzen zu erkennen und zu beheben, damit ein optimaler Betrieb gewährleistet ist. Leckageerkennung: Nutzen Sie Leckageerkennungssysteme, um Druckluftverluste schnell zu identifizieren und zu reparieren, um Energieverschwendung zu vermeiden. Schulung der Bediener: Bieten Sie umfassende Schulungen für Bediener an, um die Wartung und Optimierung von Druckluftsystemen zu gewährleisten und ein Bewusstsein für Energieeffizienz zu fördern.

Die energieeffiziente Gestaltung des Prozesses ist ein erster und notwendiger Schritt. Langfristig werden Einsparungen jedoch durch eine strenge Instandhaltung der Prozessausrüstung realisiert. Dies gilt insbesondere für den Verbrauch von Druckluft, da Druckregler oft falsch eingestellt werden oder Magnetventile mit der Zeit ausfallen, was zu einem erhöhten Druckluftverbrauch führt.

Alle Drucklufteinstellungen sollten regelmäßig – mindestens wöchentlich – von den Bedienern überprüft und dokumentiert werden. Diese regelmäßigen Inspektionen bieten auch die Gelegenheit, Undichtigkeiten in der Druckluftanlage zu erkennen, die gelegentlich an Armaturen auftreten und bei Nichtbehebung hohe Kosten verursachen können.

3. Schlussfolgerungen

In Schüttgut-Handhabungsprozessen lassen sich zahlreiche Quellen für Energieeinsparungen identifizieren, wobei dieser Artikel nur einige davon behandelt. Die individuellen Einsparungen sind nicht immer besonders hoch, doch ein systematischer Ansatz ermöglicht es, einzelne Einsparquellen zu summieren, was insgesamt die Wettbewerbsfähigkeit eines Prozesses deutlich verbessern kann. Eine angemessene Instrumentierung und Instandhaltung der Anlage stellt sicher, dass diese nahe an ihrem energetischen Optimum betrieben wird, und fördert das Umweltbewusstsein im Unternehmen.

Zusammenfassung:

Tabelle 1: Tipps zur Energieeinsparung in der pulververarbeitenden Industrie

Bereich	Auslegung	Einsparungen bei	Betrieb
Pneumatische Förderung in verdünnter Phase	Strom	# Überdimensionierung der Anlage vermeiden # Rohrleitungsführung so einfach wie möglich gestalten, um Druckverluste und Energieverbrauch zu reduzieren # Verwenden Sie erprobte Berechnungswerkzeuge zur Optimierung der Auslegung	# Timer vorsehen, um das Gebläse abzuschalten, wenn für eine bestimmte Zeit kein Transport stattfindet # Passen Sie die Gebläsedrehzahl an, um die Fördergeschwindigkeitzu optimieren. Eine zu hohe Fördergeschwindigkeit führt zu hohem Stromverbrauch und kann das Material beschädigen. # Überwachen Sie den Druck, um sicherzustellen, dass es keine Verstopfung gibt, die zu höheren Kompressionsraten und Energieverbrauch führen könnte
Pneumatische Förderung in dichter Phase	Druckluft (Strom)	# Führen Sie Pilotversuche durch, um das Feststoff-Beladungsverhältnis zu optimieren. Weniger Luft pro kg gefördertes Produkt reduziert die Belastung der Kompressoren und generiert Einsparungen.	# Vermeiden Sie unnötiges Spülen am Ende der Förderung, da dies viel Druckluft verbraucht # Überprüfen Sie den Druckregler, um Überverbrauch von Druckluft zu vermeiden. Berechnen Sie von Zeit zu Zeit das Feststoff-Beladungsverhältnis neu, um sicherzustellen, dass die Leitung ordnungsgemäß funktioniert
Mischen	Strom	# Optimieren Sie die Auslegung, damit die Anlage so effizient wie möglich genutzt wird	# Optimieren Sie die Mischzeit um zu vermeiden, dass der mehrere-kW-Motor des Mischers unnötig lange für keine Verbesserung der Homogenität läuft
Klimatisierung	Strom, Dampf, Kaltwasser	# Reduzieren Sie Undichtigkeiten in der Gebäudehülle # Prozesseigenluft, sofern möglich, im Kreislauf führen – dies reduziert den Behandlungsbedarf für externe Luft. Die RLT-Anlage (Raumlufttechnische Anlage) muss für diesen Zweck ausgelegt sein	# Raumtemperatur und relative Luftfeuchtigkeit überwachen; sicherstellen, dass diese innerhalb der Spezifikationen bleiben
Allgemeine Instandhaltung	Druckluft (Stromverbrauch)		# Erstellen Sie eine Prüfcheckliste für alle Druckregler in den Prozessleitungen, insbesondere für: Spülluft von Lagerdichtungen, Filter der Jet-Pulse-Anlage oder Fluidisierungssysteme in Trichtern (Wirbelschicht-Systeme)