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Gleiten wie auf Schnee: Die Keramiknoppen-Anlaufspur macht Skisprung das ganze Jahr über möglich. Bild: Ceramtec
Energieeffizienz

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Schwankungsfrei durchstarten

Text: Christian Rau, Almig
Druckluft ist ein beliebter Helfer auch bei der Herstellung von Hochleistungskeramik, die Ski­springer im Sommer zu Tal gleiten lässt. Um energieeffizienter zu produzieren, setzt ein Hersteller auf einen direktangetriebenen, drehzahlgeregelten Schraubenkompressor. Das Gerät vermeidet teure Lastwechsel und ermöglicht sogar integrierte Wärmerückgewinnung.

Skispringen ist eines der Highlights bei den Olympischen Winterspielen. So auch im Februar in Sotschi. Um den Sportlern auf der Normal- und der Großschanze unabhängig vom Wetter die immer gleichen Bedingungen beim Springen zu ermöglichen, wurden die Schanzen im Russki-Gorki-Skisprung-Zentrum mit einem Anlaufspursystem des Keramikherstellers Ceramtec versehen. Die wissenschaftlich errechnete Form der Keramiknoppen im Anlaufspursystem, die in einer getesteten Anordnung in Spezial-Kautschuk einvulkanisiert sind, das integrierte Kühlsystem sowie die an der Spur installierte Eisfräse mit Bürsten ermöglichen den Springern optimale und immer konstante Gleitbedingungen – im Sommer wie im Winter.

Aber mit Hochleistungskeramik lassen sich noch ganze andere Sachen machen. Der Werkstoff kommt mit seinen besonderen mechanischen, elektrischen, thermischen und biologisch-chemischen Eigenschaften dort zum Einsatz, wo andere Werkstoffe versagen – etwa in der Medizintechnik für Kugelköpfe und Pfanneninserts für Hüftgelenks-Prothesensysteme.

Energieeffizient produzieren

Bei der Herstellung seiner Produkte legt Ceramtec Wert auf eine effiziente Prozesstechnologie. Deswegen hat es sich freiwillig verpflichtet, den Betrieb nach dem Umweltmanagementsystem gemäß der Norm DIN EN ISO 14001 zertifizieren zu lassen. Darin ist das Energiemanagementsystem nach ISO 50001 integriert. Berücksichtigt werden unter anderem die kontinuierliche Verringerung der Umweltauswirkungen, die Einhaltung umweltrelevanter Rechtsvorschriften und die Umwelterklärung. Eine Möglichkeit, Energiekosten zu senken, ist eine effiziente Drucklufterzeugung, die im Fertigungsprozess zum Einsatz kommt. Der Druckluftbedarf kann bei Ceramtec bis zu 1,1 Millionen Kubikmeter im Monat betragen.

Technische Keramik herzustellen ist ein äußerst komplexer Prozess. Hochreine Materialien wie Aluminiumoxid, Zirkon­oxid, Aluminiumnitrid sowie Siliziumnitridpulver werden aufbereitet und mit Bindemitteln vermischt. Im Produktions­prozess setzt das Unternehmen auf spezielle Fertigungsverfahren wie Brennen unter reduzierender Atmosphäre oder heiß-iso­statisches Pressen – ein Verfahren, bei dem das Material zugleich unter sehr hohem Druck gepresst und gesintert wird. Je nach gewähltem Herstellungsverfahren und Kombination der optimalen Ausgangsstoffe lassen sich so gezielt keramische Bauteile mit individuellen Eigenschaften herstellen. Genau wie Teig zu Brot gebacken wird, reift auch die Mischung im Ofen zu Hochleistungskeramik – allerdings bei 1600 °C und je nach Anforderung an die Zähigkeit oder Härte zwischen 24 und 72 Stunden. Das Material ist danach so hart, dass es nur mit Diamantwerkzeugen bearbeitet werden kann.

Die Hartbearbeitung der Bauteile erfolgt in einem modernen Maschinenpark. Darunter befinden sich Bearbeitungs­zentren, die die fertig gesinterten Keramikteile von fünf Seiten in einer Aufspannung mit Diamantwerkzeugen bearbeiten können. Druckluft kommt zum Beispiel für die Steuerung der Ventile oder Zylinder an den Maschinen zum Einsatz. Einen großen Stellenwert nimmt sie zudem als sogenannte Sperrluft ein. Damit können Hohlräume mit Hilfe eines Luftüberdrucks berührungsfrei abgedichtet werden. Die Druckluft verhindert somit, dass Bohrwasser oder Späne in die Lager der Bearbeitungsspindeln eindringen oder Linearmaßstäbe und Gleit­flächen der Messsysteme beschmutzen, die in der Qualitätssicherung im Einsatz sind.

Bevor das Energiemanagementsystem eingeführt wurde, übernahmen vier luftgekühlte Schraubenkompressoren der Belt-Baureihe von Almig die Versorgung mit Druckluft. Diese Kompressoren mit einer Leistung von je 55 kW sorgen für lange Standzeiten und niedrige Wartungskosten. Im Dauer­betrieb sind sie zuverlässig und betriebssicher. Sie überzeugten durch eine wirksame Kühlung und eine gute Schall- und Vibrationsdämmung. Zudem lassen sie sich fundamentlos aufstellen und sorgen durch großzügig bemessene Kühler für niedrige Anlagen- und Druckluft-Austrittstemperaturen. Diese Baureihe wird jedoch im Last-Leerlauf geregelt. Die Kompressoren laufen damit immer bei voller Leistung. Im Rahmen des Energiemanagements sollte der Verbrauch dieser aufwendigen Energieform an den tatsächlichen Bedarf flexibel angepasst werden können.

Leerlaufzeiten vermeiden

Darum entschied man sich für eine weitere Anlage, einen Schraubenkompressor der Baureihe Variable 150. Dieser öleingespritzte, drehzahlgeregelte und direktangetriebene Kompressor vermeidet den Leerlauf und teure Lastwechsel. Denn bei mehreren tausend Lastwechseln pro Jahr summiert sich der Energieaufwand. Im Vergleich zu den anderen Kompressoren, die im Lastleerlauf geregelt werden, spart dieser schon allein damit rund 30 Prozent Energie. Die Steuerung regelt alle fünf Kompressoren im Verbund. Sie erzeugen nur so viel Druck, wie tatsächlich gebraucht wird. Dieser Druck wird konstant gehalten. Steigt der Verbrauch an die Maximaldrehzahl, wird einfach ein weiterer Kompressor zugeschaltet. Dabei wird eine Drehzahlreserve beibehalten, so dass keine Druckschwankungen durch Zu- und Wegschalten der Kompressoren entstehen. In der Hauptlastphase, also in der Hauptproduk­tionszeit laufen die eingesetzten Anlagen mit gleicher Drehzahl synchron. In der Schwachlastphase, wenn weniger produziert wird, kann auch nur der neue Kompressor eingeschaltet sein. Dieser passt sich automatisch an das Verbrauchsprofil an. Er arbeitet immer, auch bei kleinem Druckluftbedarf.

Ölfreie Druckluft nur bei Bedarf

Bei bestimmten Anwendungen muss die Druckluft ölfrei sein – etwa bei der Herstellung medizinischer Bauteile wie den Keramik-Gleitpaarungen für Hüftgelenksprothesen. Um dabei jegliche Verschmutzung zu vermeiden wird die Luft mit Zyklon, Vorfilter, Kältetrockner, Feinst- und Aktivkohlefilter aufbereitet. Diese punktuelle Aufbereitung ist für das Unternehmen günstiger als eine Aufbereitung der gesamten Druckluft, was mit höheren Wartungskosten verbunden wäre. Energie spart zudem die integrierte Wärmerückgewinnung.

Bei Schraubenkompressoren mit Öleinspritzung führt das Öl etwa 72 Prozent der zugeführten elektrischen Energie ab, die zurückgewonnen werden kann. Öleingespritzte Schrauben­kompressoren sind werksseitig mit Wärmetauscher und Wasserregelventilen zur Heizwassererwärmung auf 70 Grad Celsius ausgestattet. Der Wärmetauscher lässt eine hohe Wärmeausnutzung zu, ist platzsparend untergebracht und ermöglicht hohe Wassertemperaturen. Ceramtec hat sich für eine wassergekühlte Anlage statt einer luftgekühlten entschieden. Sie kann an einen Kühlwasserkreislauf angeschlossen werden. Das Kühlwasser wird anschließend direkt in das Heizungssystem eingeleitet, was besonders im Winter Energie spart.

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