In vielen Unternehmen gehört die Vakuumerzeugung zu den Posten die mit in die Energiebilanz einfließen, ihre Effizienz wird also immer wichtiger. Allerdings gibt es keine einzelne Schlüsseltechnologie für den sparsamen Betrieb von Vakuumpumpen.
Das Thema Energieeffizienz beschäftigt naturgemäß auch die Hersteller von Vakuumerzeugern. Wenn eine Vakuumpumpe mit einem Kilowatt Leistungsaufnahme weniger auskommt, ergibt das bei 7.000 Betriebsstunden im Jahr eine Einsparung bei den Stromkosten von über 1.000 Euro. In den Anzeigen und Broschüren mancher Anbieter finden sich heute Aussagen wie: „Spart bis zu 50 Prozent der eingesetzten Leistung oder: „Energieeinsparungen von bis zu 60 Prozent möglich“. Die Grundlage solcher Zahlen ist meistens der fiktive Vergleich zwischen einer konstanten und einer drehzahlgeregelten Vakuumerzeugung. Da der Vakuumbedarf in vielen Anwendungen schwankt, so die Argumentation, lasse sich durch die Anpassung der Drehzahl in großem Maße Energie sparen. Die Vakuumpumpe liefere dann nur die benötigte Leistung, statt immer auf konstant hohem Niveau zu laufen.
Bei näherer Betrachtung offenbart diese Argumentation jedoch erhebliche Lücken: Die keineswegs neue Technologie der Vakuumpumpe mit Drehzahlsteuerung kann zwar tatsächlich unmittelbar auf wechselnden Bedarf reagieren, doch sind damit noch lange nicht alle Fragen beantwortet, weder zur Vakuumerzeugung im Allgemeinen noch zur Energieeffizienz im Besonderen. Die Vakuumpumpen laufen keineswegs in allen Drehzahlbereichen mit der gleichen Effizienz.
Komplexe Auswahlkriterien
Die richtige Auswahl einer Vakuumpumpe oder die Konfiguration einer Vakuumanlage hängt von vielen Faktoren ab. Unabhängig von der Frage der Energieeffizienz sind unter anderem das Saugvermögen, das Vakuumniveau und die Reaktionszeit zu berücksichtigen. Außerdem spielt der Ort der Aufstellung eine Rolle sowie die Frage, ob es sich um eine ölgeschmierte oder trockene Vakuumpumpe handelt. Weiteres Kriterium für die Auswahl des geeigneten Vakuumerzeugers ist das Fördermedium selbst: Ob trockene oder feuchte Luft, Wasserdampf, aggressive oder explosive Gase befördert werden, ist ebenso zu berücksichtigen, wie das Kondensationsverhalten die Umgebungsbedingungen.
Oft gibt es in Betrieben, die Vakuum benötigen, mehr als einen Vakuumverbraucher. Bei typischen Anwendungen wie die Vakuumverpackung in der Lebensmittelindustrie oder das Vakuumspannen auf Holzbearbeitungsmaschinen, kann es, je nach Betriebsgröße, sinnvoll sein, mehrere Maschinen an eine zentrale Vakuumversorgung anzuschließen. In der Vakuumverpackung sind die Bedarfsspitzen oft, entsprechend der Taktzeiten, sehr kurz. Beim Vakuumspannen kommt es dagegen nicht unbedingt auf Zehntelsekunden an, dafür muss ein hohes Saugvolumen an einer Bearbeitungsmaschine oft über längere Zeit konstant und sicher gehalten werden.
Abwärme und Geräusche
Vakuumpumpen strahlen Wärme ab. Bei größeren oder mehreren Vakuumpumpen kann dadurch Abwärme in erheblicher Menge anfallen, die abgeleitet oder – in gekühlter Umgebung wie in der Food-Industrie – durch zusätzliche Kühlung ausgeglichen werden muss. Dieser vordergründige Nachteil kann sich allerdings durch ein geschicktes Wärmemanagement positiv auf die Energiebilanz des Betriebes auswirken, wenn durch eine Wärmerückgewinnung die Abwärme genutzt wird.
Unterschiedliche Vakuumpumpen generieren Geräuschpegel, die je nach Bauart, sich erheblich unterscheiden können. Zusätzliche Schalldämmmaßnahmen können diese reduzieren aber nicht eliminieren. Aus Gründen des Arbeitsschutzes kann allein dieser Aspekt eine große Rolle bei der Beantwortung der Frage spielen, welche Art von Vakuumpumpe und an welchem Ort diese installiert werden soll.
Neben Abwärme und Geräuschpegel, spricht auch der ungehinderte Zugang während des Betriebes für eine räumlich getrennte Vakuumzentralanlage. Diese ermöglicht eine Wartung ohne Stillstandzeiten und ohne Fremdmonteure in der Produktion, was aus hygienischer Sicht bei der Lebensmittelverarbeitung einen wesentlichen Aspekt darstellt. Der größte Vorteil einer zentralen Vakuumversorgung liegt allerdings in der Tatsache, dass sich dadurch die Anzahl der eingesetzten Vakuumpumpen deutlich reduzieren lässt und die Anlagensteuerung auf den Prozess so abgestimmt werden kann, dass nur die tatsächlich notwendigen Einzelpumpen in Betrieb sind. Dies hilft, große Mengen Energie einzusparen und die Wartungskosten erheblich zu senken.
Von Fleisch bis Wohnwagen
Die mehrfache Effizienzwirkung wird an folgenden Fallbeispielen aus jüngster Zeit deutlich: In der Fleischerei Block House in Hamburg werden die frisch hergestellten Fleischwaren vakuumverpackt. In der Vergangenheit wurden fünf Tiefziehverpackungsmaschinen dezentral von je zwei bereits älteren, hintereinandergeschalteten Vakuumpumpen versorgt. Diese insgesamt zehn dezentralen Vakuumpumpen wurden durch eine zentrale Vakuumanlage mit vier Wälzkolbenpumpen und vier Drehschieber-Vakuumpumpen ersetzt. Die Leistungsaufnahme der neuen Vakuumanlage liegt insgesamt um 9,9 kW niedriger als zuvor. Trotz der geringeren Leistungsaufnahme und Pumpenanzahl ist die Anlage so ausgelegt, dass sie bei Bedarf noch zwei zusätzliche Verpackungsmaschinen versorgen kann. Drei Vakuumbehälter mit je 1000 l Volumen halten dabei eine jederzeit abrufbare Vakuumreserve vor.
Dank dieser Pufferbehälter und einer druckabhängigen Zu- und Abschaltung der Vakuumpumpen kann der Betrieb nach dem jeweiligen Vakuumbedarf ausgerichtet werden, die Taktzahl wurde um Faktor 1,5 gesteigert. Die Aufstellung der Anlage außerhalb des gekühlten Bereichs bringt eine Ersparnis bei der Kühlleistung von 23,1 kW. Insgesamt ergibt sich eine Ersparnis pro Jahr von 39.600 kWh Strom und 23.100 kWh Kühlleistung, dazu kommen weitere Einsparungen bei den Wartungskosten. Die CO2-Emission sank dabei um 36,1 t.
Ein anderes Beispiel betrifft die Wohnmobilfertigung: Bei Capron in Neustadt (Sachsen) werden Reisemobile und Caravans im Einsteigersegment für die Marken Carado und Sunlight hergestellt. Die Möbelteile aus Sperrholz- und Verbundplatten werden auf CNC-Maschinen bearbeitet. Auch hier hat man im vergangenen Jahr von der dezentralen auf eine zentrale Vakuumversorgung umgestellt. Elf Bearbeitungszentren wurden ursprünglich von jeweils bis zu drei Pumpen mit Vakuum versorgt. Diese Vakuumpumpen wurden beim Start der Maschinen automatisch angeschaltet und liefen während der gesamten Betriebszeit durch. Capron wollte diese Pumpen aus der Produktionshalle entfernen, vor allem um die Lärmbelastung zu vermeiden und freiwerdenden Platz effektiver zu nutzen.
In der neuen zentralen Vakuumanlage sind zwölf trockene Klauen-Vakuumpumpen untergebracht. Diese versorgen derzeit die fünf Bearbeitungszentren, die bisher mit jeweils drei Vakuumpumpen arbeiteten. Obwohl die gesamte Saugleistung unter dem errechneten Nennsaugvermögen aller Bearbeitungszentren liegt, genügen im Normalbetrieb fünf bis sechs der zwölf Pumpen, um den Vakuumbedarf der derzeit angeschlossenen Bearbeitungszentren zu decken. Im Sommer 2016 wird die Ringleitung zum Anschluss acht weiterer Bearbeitungszentren (mit je einer Vakuumpumpe) erweitert und somit die ganze Kapazität der Anlage genutzt. Die Pumpen werden nach Bedarf zu- oder abgeschaltet. Die Vakuumringleitung dient als Puffer für plötzliche Bedarfsschwankungen. Die Abwärme der Zentralanlage wird im Winter zur Heizung der Hallen genutzt. Die berechnete Einsparung bei den Stromkosten im Vergleich zur vorherigen Lösung beträgt rund 45 Prozent.
Zentrale Vakuumversorgung
Die Energieeffizienz bei der Vakuumversorgung hängt von einer Vielzahl von Faktoren ab. Wenn einzelne Vakuumpumpen isoliert zum Einsatz kommen, müssen bei der Auswahl der Vakuumtechnologie zudem zahlreiche Kriterien der Betriebsumgebung berücksichtigt werden.
Es ergibt somit wenig Sinn, sich auf pauschale Aussagen zur Energieeinsparungen bei einzelnen Vakuumpumpen zu verlassen. Es müssen jeweils die Gesamtsituation und die individuellen Rahmenbedingungen berücksichtigt werden, was die Beurteilung und Vergleichbarkeit erschwert. Eine detaillierte Analyse ist meist nur in Kooperation mit einem Experten möglich. Bei mehreren Vakuumverbrauchern in einem Betrieb kann sehr häufig eine zentrale Vakuumversorgung die ideale Lösung bieten. Mit ihr lässt sich die Anlage nicht nur im Hinblick auf die Energieeffizienz optimieren, sondern diese Lösung bietet darüber hinaus zahlreiche weitere Vorteile für den Betriebsalltag sowie für die ökonomische und ökologische Bilanz.
