260.000 Sahnetorten, 700.000 Blechkuchen, über vier Millionen Brötchen und viele weitere Leckereien werden täglich bei Coppenrath & Wiese hergestellt. Dafür werden Tag für Tag unter anderem 900.000 Eier aufgeschlagen, 80.000 l Sahne und 1.000 l Schwarzwälder Kirschwasser verarbeitet.
Die Produktionslinien des Spezialisten für Tiefkühlkost fordern viel Druckluft, vor allem für die Zylinder und Ventile der Produktionsanlagen und Verpackungsmaschinen. Alle drei Werke zusammen – nummeriert mit CW2, CW3 und CW4 – benötigen im Schnitt gut 78 m3/min. Bis auf das Wochenende, da sinkt der Bedarf auf etwa zehn Prozent, weil nicht gebacken wird. Nur zur Druckerhaltung und für die Kälteanlagen wird etwas Druckluft gebraucht.
Sukzessive Umrüstung auf ölfrei verdichtende Kompressoren
Dass die Herstellung nun trotz höheren Ausstoßes mit weniger Energie für die Drucklufterzeugung auskommt, liegt zum großen Teil auch an der sukzessiven Optimierung der drei Druckluftstationen samt Umrüstung auf ölfrei verdichtende, effiziente Kompressoren von Atlas Copco. „Wir haben die Druckluft hier traditionell mit öleingespritzten Kompressoren erzeugt und über Trockner und diverse Filter aufbereitet“, erklärt Wolfgang Menger, Energiemanager bei der Conditorei Coppenrath & Wiese. „Der Aufbereitungsaufwand war nicht unerheblich, sodass wir beschlossen haben, auf ölfreie Verdichtung umzusteigen.“
Der Startschuss fiel mit dem Bau der neuen Produktionshalle CW4, in der Brötchen und Blechkuchen hergestellt werden. So ging in diesem Werk 2017 die erste Druckluftstation mit komplett ölfrei verdichtenden Kompressoren von Atlas Copco ans Netz.
Neueste Technologie der Drehzahlregelung
Mit dieser ersten Station, die drei kleinere Z-Kompressoren umfasst, hat Coppenrath & Wiese laut Menger sehr gute Erfahrungen gemacht. „2019 und 2020 haben wir dann die beiden großen Druckluftstationen CW2 und CW3 umgerüstet“, sagt er. „Dafür stand uns bereits die allerneueste Technik von Atlas Copco zur Verfügung, die 2017 noch nicht auf dem Markt war: die ölfreien ZR-VSD+-Maschinen mit ihren sehr effizienten Permanentmagnetmotoren und der neuen Generation der Umrichter und Verdichterelemente, VSD+.“
In der Druckluftstation für die Produktion CW2 – die Anlage wurde 1992 in Betrieb genommen – stehen nun seit etwa einem Jahr drei Kompressoren des neuen Typs ZR 145 VSD+ FF mit jeweils 145 kW installierter Motorleistung sowie ein kleiner, luftgekühlter ZT 37 VSD FF mit 37 kW, der auf Notstrom läuft und für die Wochenendlast zuständig ist.
„Im Sommer 2020 haben wir im nächsten Schritt die Druckluftstation in CW3 komplett erneuert“, berichtet Menger. Hier stehen nun zwei ZR 160 VSD+ FF und ebenfalls ein ZT 37 VSD FF sowie derzeit noch zwei alte Maschinen eines anderen Herstellers, die in der letzten Phase dieses Projekts im Frühjahr 2021 gegen zwei weitere ZR 145 VSD+ FF ausgetauscht werden sollen.
Insgesamt werden damit in den Werken CW2 und CW3 zwölf alte Kompressoren durch die modernere und effizientere, ölfreie Technik von Atlas Copco ersetzt worden sein. Die Investition wurde übrigens wegen der damit verbundenen Energieeffizienzsteigerung zu 30 Prozent vom Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle gefördert.
Permanentmagnetmotoren und Steuerung
Die neuen ZR-VSD+-Kompressoren verfügen über hochmoderne Verdichterelemente, ein neues Kühlerdesign sowie eine verbesserte Steuerung. Alle Komponenten sind in einem kompakten, schallisolierten Gehäuse untergebracht, sodass der ZR nur noch an das Stromnetz, die Druckluft- und Kühlwasserleitungen angeschlossen werden muss.
Angetrieben werden die großen Kompressoren – der Typen ZR 75-160 VSD+ mit 75 bis 160 kW – von je zwei leistungsstarken Permanentmagnetmotoren und den in dieser Baureihe erstmals eingesetzten Neos-Frequenzumrichtern zur Drehzahlregelung. Die Permanentmagnetmotoren erfüllen bereits heute die Referenzwerte der künftigen Effizienzklasse 5. Zudem ermöglicht es das Atlas-Copco-eigene Konzept mit zwei Motoren und einem intelligenten Steuerungsalgorithmus, dass beide Verdichtungselemente mit unterschiedlicher Drehzahl laufen, was die Effizienz deutlich verbessert.
„Unser Energieverbrauch für die Drucklufterzeugung ist mit der Umrüstung der beiden großen Stationen in den Jahren 2019 und 2020 um etwa 20 Prozent gesunken“, sagt Menger. Da die ZR-Kompressoren neuerdings auch in die Wärmerückgewinnung eingebunden sind, sinkt die Energierechnung noch weiter. „Beim Gas sparen wir nun etwa zwei Prozent“, ergänzt Menger. Das höre sich im ersten Moment nicht viel an, aber Coppenrath & Wiese benötigt zum Backen der Torten und Brötchen, zur Dampferzeugung für die Schwaden und die CIP-Reinigung sehr viel Gas.
Wärmeenergie zurückgewonnen
„Allein aus der Verdichtungsenergie der drei ZR-Kompressoren in CW2 holen wir circa 125 kW an Wärmeleistung heraus“, erklärt der Energiemanager. „Damit erhitzen wir das Wasser, das für die tägliche Reinigung der Produktionsanlagen benötigt wird.“
Durch die Wärmerückgewinnung aus der Kälteanlage werde das Wasser auf die notwendige Temperatur von etwa 65 °C vorerwärmt. In der Energiebilanz kommt zu den 125 kW aus der Station CW2 noch die Verdichtungswärme der Kompressoren im Werk CW3. „Dort heben wir damit die Temperatur im Heizungsrücklauf an“, sagt Menger. Die Idee für diesen Teil der Wärmenutzung sei noch recht frisch und macht über 90 kW aus.
Modelle mit integriertem, effizienten Drehtrommeltrockner
Die neuen ZR-Kompressoren von Atlas Copco verfügen in der Full-Feature-Variante allesamt über einen eingebauten Drehtrommeltrockner des Typs MD 400 VSD. Diese spezielle Bauart eines Adsorptionstrockners hat Atlas Copco für Drucktaupunkte von bis zu -30 °C und das Zusammenspiel mit ölfrei verdichtenden Schraubenkompressoren entwickelt.
Der MD erzeugt die hohe Druckluftqualität in Bezug auf die Restfeuchte weitaus effizienter als andere Trockner – nämlich ohne Heizelemente, Gebläse und zusätzliche Energie. Stattdessen arbeiten die MD-Trockner nach dem „Heat-of-Compression“-Prinzip: Um das Adsorptionsmittel zu regenerieren, nutzen sie energetisch die Verdichtungswärme des Kompressors. Damit trocknen sie die Druckluft sehr effizient: Für ihren Betrieb sind nur etwa 120 W an elektrischer Leistung nötig – und keine FCKW-haltigen Kältemittel.
Restfeuchte geht von -25 °C gegen null
Coppenrath & Wiese arbeitet mit einem Gesamt-Drucktaupunkt von etwa -25 °C, zum Teil werden sogar -35 °C erreicht. Der Drucktaupunkt besagt, dass sich oberhalb der genannten Temperaturen keine Feuchtigkeit im Leitungssystem oder in den Maschinen niederschlagen kann.
„Bei den Kältemitteltrocknern betrug der Drucktaupunkt 3 °C“, sagt Menger. Zwar habe das im Prinzip ausgereicht, trotzdem fühle er sich mit dem nun sehr weit unter dem Gefrierpunkt liegenden Drucktaupunkt viel wohler – nicht nur wegen der höheren Effizienz, sondern auch, weil sich jegliche Partikel und Aerosole gern an Feuchtigkeit binden. Das führt dazu, dass der Adsorptionstrockner durch die höhere Entfeuchtung automatisch mehr unerwünschte Bestandteile aus der Druckluft herausholt als ein Kältetrockner, was wiederum die Filtertechnik entlastet.
Die umfasst bei Coppenrath & Wiese übrigens auch in den neuen Druckluftstationen weiterhin je einen Aktivkohlefilter, nebst dem üblichem Staubfilter hinter jedem Kompressor: „Denn etwaige Kontaminationen der Außenluft, und seien sie noch so klein, dürfen auf gar keinen Fall in das Leitungsnetz und an die Produktionslinien der Sahnetorten oder Brötchen gelangen“, begründet Menger. Die Druckluftqualität gemäß ISO 8573-1, Klasse 0, hat der TÜV Atlas Copco auch per Zertifikat bestätigt.
Energieverbrauch knapp über 0,1 kWh/m3
Die Modernisierung der gesamten Drucklufterzeugung ergibt in Mettingen heute den sehr niedrigen spezifischen Energieverbrauch von nur 0,103 kWh/m3 – inklusive der eingebauten Adsorptionstrockner. Die hohe Effizienz ist im Wesentlichen der druckabhängigen Regelung der neuen Kompressoren zu verdanken.
„Heute haben wir viel weniger Starts und Stopps“, berichtet der Energiemanager. „Die alten Maschinen waren nicht drehzahlgeregelt und hatten daher sehr viele Schaltspiele mit viel Leerlauf. Das ist heute nicht mehr so. Nun können wir in einem sehr engen Druckband im Bereich von 6,59 bis 6,61 bar fahren, also praktisch ohne Schwankungen.“
Die alten Kompressoren hätten bei 7,2 bar ein- und bei 7,8 bar ausgeschaltet. „Man kann also sagen, dass wir das Druckband grob um 1 bar gesenkt haben“, überschlägt Menger. Und jedes Bar weniger Druck senkt den Energiebedarf von Kompressoren um etwa sieben Prozent.
Der Druck wird in allen Stationen von dem Optimizer 4.0 kontrolliert, der neuen, Industrie-4.0-tauglichen übergeordneten Steuerung von Atlas Copco. Er regelt den effizienten Einsatz aller Kompressoren und lastet sie innerhalb ihrer Stationen gleichmäßig aus. Zudem kann Menger die Verbrauchswerte für jede Maschine direkt am Optimizer sowie am PC ablesen: Volumenstrom, Energieverbrauch, Druckband, Betriebsstunden mit Auslastung und mehr. Das macht Effizienzsteigerungen sichtbar und erlaubt kontinuierliche Prozessverbesserungen im Sinne der ISO 50001.
„Die Effizienz ist über den gesamten Regelbereich sehr gut, und auch der Optimizer macht seine Arbeit hervorragend“, fasst Menger die Vorteile der neuen Maschinen und der Zusammenarbeit mit Atlas Copco noch einmal zusammen. „Die Maschinen werden gleichmäßig ausgelastet, und aufgrund der optimalen Isolierung unter der Schallhaube laufen sie erheblich leiser als unsere früheren Kompressoren.“
Auch dass er sich jederzeit an seinen Ansprechpartner bei Atlas Copco, Heiko Reitz, wenden könne, gefalle ihm gut. „Aber wir haben einen Full-Service-Vertrag über sieben Jahre mit Atlas Copco abgeschlossen, inklusive Garantieverlängerung. Da läuft der Service von allein und ich erwarte nicht allzu viel Gesprächsbedarf, wenn die Umrüstungsarbeiten in CW3 Anfang 2021 komplett abgeschlossen sein werden.“
