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Aut­ar­ke Lösung für 300 bar

24. Februar 2017
in Anlagen & Komponenten
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Mit der Anschaf­fung einer neu­en leis­tungs­stär­ke­ren Laser­schneid­ma­schi­ne stieg bei Hoh­mann Gerä­te­bau in Bretten der Bedarf an hoch­rei­nem Stick­stoff. Des­sen Bereit­stel­lung in Form von Fla­schen­bün­deln erwies sich zuneh­mend als teu­er und inef­fi­zi­ent. Daher wur­de in eine eige­ne Sta­ti­on zur Stick­stoff­er­zeu­gung inves­tiert – mit zwei dreh­zahl­ge­re­gel­ten Schrau­ben­kom­pres­so­ren von Atlas Cop­co. Damit ist Hoh­mann nun autark.

N2-Gene­ra­tor und Stick­stoff­tank: Bis der Stick­stoff in der gefor­der­ten Rein­heit 5.0 (99,999 Pro­zent) vor­liegt, muss das Gas den Gene­ra­tor mehr­fach durch­lau­fen. Anschlie­ßend gelangt der Stick­stoff in einen zwei­ten Tank und von dort zur Nach­ver­dich­tung in den Booster.

Ulrich Hoh­mann nimmt die Din­ge gern selbst in die Hand. So lie­fert ihm bei­spiels­wei­se die Solar­an­la­ge auf dem Hal­len­dach sei­nes Unter­neh­mens im Gewer­be­ge­biet von Bretten bei Karls­ru­he fast die Hälf­te des Strom­be­darfs. Das macht den Geschäfts­mann wenigs­tens teil­wei­se unab­hän­gig vom ste­tig stei­gen­den Strom­preis. Seit Herbst 2015 wird nun auch der Stick­stoff, der in der Pro­duk­ti­on für den Laser­zu­schnitt von Edel­stahl­ble­chen zum Ein­satz kommt, in Eigen­re­gie erzeugt.

Die Hoh­mann Gerä­te­bau e.K. fer­tigt seit 1998 kun­den­spe­zi­fi­sche Pro­duk­te aus Edel­stahl für die Berei­che Medi­zin, Phar­ma­zie, Gas­tro­no­mie und für die Möbel­in­dus­trie. Was im hand­werk­li­chen Maß­stab begann, hat sich inzwi­schen zu einem Unter­neh­men mit 16 Mit­ar­bei­tern und einer hoch­mo­der­nen indus­tri­el­len Fer­ti­gung ent­wi­ckelt. Herz­stück der Pro­duk­ti­on ist eine kom­plett auto­ma­ti­sier­te Laser­schneid­ma­schi­ne, auf der rund zwei Drit­tel aller Auf­trä­ge bear­bei­tet wer­den. „Beim Laser­schnei­den von Edel­stahl ver­hin­dert der Stick­stoff, dass sich an den Schneid­kan­ten eine Oxid­schicht bil­det“, erklärt Fir­men­chef Ulrich Hoh­mann. „Dafür ist die Stick­stoff­rein­heit 5.0 bezie­hungs­wei­se 99,999 Pro­zent erfor­der­lich. Sobald ich eine gerin­ge­re Rein­heit ver­wen­de oder mit Druck­luft schnei­de, bekom­me ich Anlass­far­ben, und die kön­nen Ansatz­punk­te für Kor­ro­si­on sein. Und da wir in der Lebens­mit­tel- und der Medi­zin­tech­nik tätig sind, müs­sen wir Kor­ro­si­on unbe­dingt ver­mei­den. Außer­dem benö­ti­gen wir Stick­stoff zum Belüf­ten des Strah­len­gangs unse­res Lasers.“

Gute Auf­trags­la­ge und leis­tungs­stär­ke­rer Laser erfor­der­ten neue Stickstoff-Lösung

Den erfor­der­li­chen Stick­stoff bezog Ulrich Hoh­mann in Form von soge­nann­ten Fla­schen­bün­deln, die auf einer Palet­te ange­lie­fert wur­den. Doch die posi­ti­ve Auf­trags­la­ge und die Anschaf­fung eines neu­en, leis­tungs­stär­ke­ren Lasers lie­ßen den Stick­stoff­ver­brauch und damit die Betriebs­kos­ten in den letz­ten Jah­ren ste­tig stei­gen. „Eine Faust­re­gel besagt, dass sich ab einem Ver­brauch von zwei Fla­schen­bün­deln in der Woche eine Tank­lö­sung lohnt, bei der ein fest instal­lier­ter Tank in Abstän­den von einem Lie­fe­ran­ten mit flüs­si­gem Stick­stoff befüllt wird“, erläu­tert Ulrich Homann. „Die Tank­lö­sung wäre bei uns jedoch durch die abschüs­si­ge Ein­fahrt zur Hal­le rela­tiv kom­pli­ziert gewor­den. Da kommt man mit einem Sat­tel­schlep­per nur schwer rück­wärts hin­un­ter. Außer­dem bin ich ein Freund aut­ar­ker Lösun­gen und habe des­halb nach Mög­lich­kei­ten gesucht, den Stick­stoff selbst zu erzeugen.“

Son­der­lö­sung für hohen Druck von 30 bar

Bei die­sem Vor­ha­ben gab es jedoch zunächst eine Schwie­rig­keit: Laser­schneid­ma­schi­nen benö­ti­gen den Stick­stoff in der Regel mit einem Druck von rund 30 bar. Der­art hohe Drü­cke las­sen sich mit den gän­gi­gen N¬2‑Generatoren nicht erzeu­gen. Die Lösung brach­te schließ­lich die Merz GmbH Druck­luft­tech­nik, Ras­tatt, ein Ver­trags­händ­ler der Esse­ner Atlas Cop­co Kom­pres­so­ren und Druck­luft­tech­nik GmbH. „Die markt­üb­li­chen Gene­ra­to­ren lie­fern den Stick­stoff mit einem Maxi­mal­druck von 10 bar. Für die Fir­ma Hoh­mann haben wir des­halb gemein­sam mit Atlas Cop­co eine Kom­plett­an­la­ge ent­wi­ckelt. Die­se besteht aus zwei dreh­zahl­ge­re­gel­ten Schrau­ben­kom­pres­so­ren des Typs GA 11 VSD+ FF, einem Stick­stoff­ge­ne­ra­tor NGP 50+ und einem Boos­ter“, beschreibt Geschäfts­füh­rer Chris­toph Merz das Kon­zept. „So kön­nen wir Drü­cke von 200 bis maxi­mal 300 bar erzeu­gen und den hoch­ver­dich­te­ten Stick­stoff in einem Fla­schen­bün­del zwischenspeichern.“

Stick­stoff­er­zeu­gung läuft über Nacht

Erzeugt und auf 200 bar ver­dich­tet wird der Stick­stoff bei Hoh­mann über Nacht. Tags­über, wäh­rend der Pro­duk­ti­on, wird der Stick­stoff dann aus den Fla­schen bis auf einen Rest­druck zwi­schen 40 und 80 bar ver­braucht. Soll­te die gespei­cher­te Men­ge ein­mal nicht rei­chen, könn­te die Anla­ge aber auch tags­über lau­fen. Und sogar ein Drei­schicht-Betrieb wäre theo­re­tisch mög­lich, denn die maxi­ma­le För­der­men­ge ist mit 12,6 m³/h bei Qua­li­tät 5.0 (bezo­gen auf einen Ein­gangs­druck von 7,5 bar) höher als die Ent­nah­me­men­ge. „Wegen der Lärm­be­las­tung erzeu­gen wir den Stick­stoff nachts“, erklärt Ulrich Hoh­mann. „Denn der Sauer­stoff wird schon rela­tiv laut aus dem Gene­ra­tor gebla­sen. Die­sen Geräusch­pe­gel möch­te ich nicht zusätz­lich in die Fer­ti­gung brin­gen. Außer­dem ist die Hal­le am Mor­gen durch die Abluft aus den Kom­pres­so­ren schön vorgewärmt.“

Zunächst muss­te Ulrich Hoh­mann die Anla­ge abends noch mit einem Knopf­druck star­ten, da die Zeit­schal­tung des Boos­ters – ein Fremd­fa­bri­kat – Pro­ble­me bereitete.

„Wir haben aber inzwi­schen eine Lösung ent­wi­ckelt, um den Boos­ter opti­mal in die Anla­gen­steue­rung ein­zu­bin­den. Die Akti­vie­rung der Stick­stoff­an­la­ge erfolgt nun voll­au­to­ma­tisch. Die Son­der­lö­sung, die wir hier auf­ge­baut haben, ist ganz neu, und Herr Hoh­mann ist der ers­te Test­kun­de im Feld. Davor gab es die Anla­ge ein­ma­lig auf­ge­baut unter Labor­be­din­gun­gen bei Atlas Copco.“

Chris­toph Merz

Ent­schei­dung für ein Leasingmodell

Bevor die Ent­schei­dung für die Stick­stoff­an­la­ge fiel, haben Ulrich Hoh­mann und Chris­toph Merz eine gan­ze Rei­he von Ver­gleichs­rech­nun­gen gemacht. Sie sind dabei von Worst-Case-Bedin­gun­gen aus­ge­gan­gen. „Die Anla­ge bedeu­tet eine kla­re Ein­spa­rung im Ver­gleich zu den Fla­schen­bün­deln, die zwei- bis drei­mal so teu­er sind“, rech­net Hoh­mann. „Im Ver­gleich zur Tank­lö­sung ist der finan­zi­el­le Vor­teil nicht so deut­lich, aber für mich waren die Aut­ar­kie sowie die Hal­len­be­hei­zung als posi­ti­ver Neben­ef­fekt die ent­schei­den­den Faktoren.“
Daher nahm Hoh­mann auch in Kauf, dass gegen­über der Tank­lö­sung für Gene­ra­tor, Boos­ter, Kom­pres­so­ren und Auf­be­rei­tung eine grö­ße­re Stell­flä­che erfor­der­lich war. Um den Platz­be­darf gering zu hal­ten, wur­den alle Kom­po­nen­ten auf eine Büh­ne gebaut. So stört die Anla­ge nicht die Pro­duk­ti­on und ist dar­über hin­aus geschützt und aufgeräumt.

Die auto­ma­ti­sche Laser­schneid­ma­schi­ne benö­tigt neben tech­nisch ölfrei­er Druck­luft auch hoch­rei­nen Stick­stoff der Klas­se 5.0 mit einem Druck von 30 bar. Im Hin­ter­grund befin­det sich die Büh­ne mit der Druck­luft- und Stickstofferzeugung.

Für den Stick­stoff­ge­ne­ra­tor und den Boos­ter hat Chris­toph Merz der Fir­ma Hoh­mann einen über fünf Jah­re lau­fen­den Lea­sing­ver­trag ange­bo­ten. „Ich habe am Ende der Lauf­zeit die Mög­lich­keit, die Anla­ge zu über­neh­men oder etwas Neu­es zu machen“, begrün­det Ulrich Hoh­mann sei­ne Ent­schei­dung für das Lea­sing­mo­dell. „Kei­ner kann genau sagen, was die Anla­ge nach der Lauf­zeit genau wert ist. Das war bei der Rech­nung die Unbe­kann­te, und die woll­te ich aus­schlie­ßen.“ Wäh­rend der 60-mona­ti­gen Lea­sing­pha­se kommt Hoh­mann nun monat­lich auf die glei­chen Kos­ten, die auch für eine Tank­lö­sung ange­fal­len wären.

Dreh­zahl­ge­re­gel­te Schrau­ben­kom­pres­so­ren belie­fern N2-Generator

Par­al­lel zur Pla­nung der Stick­stoff­an­la­ge ent­schloss sich Ulrich Hoh­mann Ende 2014, auch die Druck­luft­er­zeu­gung zu erneu­ern. Er inves­tier­te in die bei­den oben genann­ten dreh­zahl­ge­re­gel­ten Schrau­ben­kom­pres­so­ren des Typs GA 11 VSD+ FF von Atlas Cop­co (das Plus­zei­chen steht für höchs­te Ener­gie­ef­fi­zi­enz, das FF – Full Fea­ture – unter ande­rem für den bereits in die Maschi­ne inte­grier­ten Kälte­trockner). Die­se Kom­pres­so­ren ver­sor­gen heu­te sowohl den N2-Gene­ra­tor als auch die ande­ren Abneh­mer im Unter­neh­men mit Druck­luft. „Die Qua­li­tät der Druck­luft, die unse­re alten Kom­pres­so­ren lie­fer­ten, wur­de zuneh­mend zum Pro­blem. Denn frü­her haben wir den Strah­len­gang des Lasers nicht mit Stick­stoff, son­dern mit Druck­luft belüf­tet. Die muss­te abso­lut ölfrei sein, da wir sonst den Laser beschä­digt hät­ten“, betont Hoh­mann. „Außer­dem waren unse­re dama­li­gen Kom­pres­so­ren zwar sehr güns­tig in der Anschaf­fung, aber unglaub­lich war­tungs­in­ten­siv. Dar­aus haben wir gelernt und in eine neue Sta­ti­on inves­tiert, um lang­fris­tig güns­ti­ger zu fahren.“

Hohe Ver­füg­bar­keit gab den Ausschlag

Ein wesent­li­cher Fak­tor bei der Pla­nung der Druck­luft­sta­ti­on war die Ver­füg­bar­keit und die damit ver­bun­de­ne Pro­duk­ti­ons­si­cher­heit. Denn fällt ein Kom­pres­sor aus, steht auch die Stick­stoff­er­zeu­gung still. Aus die­sem Grund wur­de ein zwei­ter Kom­pres­sor als Red­un­danz ange­schafft. Die Maschi­nen wer­den heu­te im wöchent­li­chen Wech­sel gefah­ren. „Die Bedarfs­mes­sung, die wir für die Pla­nung der Druck­luft­an­la­ge durch­ge­führt haben, ergab ohne die Stick­stoff­er­zeu­gung einen durch­schnitt­li­chen Ver­brauch zwi­schen 25 und maxi­mal 30 Litern pro Sekun­de“, erläu­tert Chris­toph Merz. „Die­se Men­ge wird für den Betrieb der Stan­zen und Abkant­pres­sen, den Laser, das Ent­gra­ten der Werk­stü­cke und als Abblas­luft an den Arbeits­plät­zen benö­tigt. Ein GA 11 VSD+ kann bei dem hier not­wen­di­gen Betriebs­druck von 7,5 bar zwi­schen 7,1 und 32 Litern in der Sekun­de erzeu­gen.“ Inso­fern, so Merz, wäre ein Kom­pres­sor für den gege­be­nen Bedarf eigent­lich aus­rei­chend. Der zwei­te könn­te auch zur Stick­stoff­er­zeu­gung genutzt wer­den, wenn die­se ein­mal tags­über statt­fin­den sollte.

Um den Laser mit tech­nisch ölfrei­er Druck­luft zu ver­sor­gen, instal­lier­te die Merz GmbH zusam­men mit den bei­den Kom­pres­so­ren eine Druck­luft­auf­be­rei­tung bestehend aus Aktiv­koh­le­fil­ter und Fein­fil­ter. Die­se Auf­be­rei­tungs­tech­nik wird heu­te auch für die Ver­sor­gung der N2-Anla­ge genutzt. „Für den Stick­stoff­ge­ne­ra­tor sind die bei­den Fil­ter zwin­gend erfor­der­lich, damit er kei­nen Scha­den nimmt“, erklärt Merz.

Stick­stoff­ge­ne­ra­tor und Boos­ter: Der im N2-Gene­ra­tor von Atlas Cop­co (hin­ten im Bild) erzeug­te Stick­stoff wird mit dem Boos­ter auf bis zu 300 bar nach­ver­dich­tet und anschlie­ßend im einem Fla­schen­bün­del zwi­schen­ge­spei­chert. Die maxi­ma­le Lie­fer­men­ge der Anla­ge beträgt 12,6 m³/h bei Qua­li­tät 5.0 bezo­gen auf einen Ein­gangs­druck von 7,5 bar.

Effi­zi­en­te Druck­luft­er­zeu­gung sichert wirt­schaft­li­che N2-Produktion

Für die Stick­stoff­pro­duk­ti­on wird zunächst Druck­luft mit 7,5 bar erzeugt, gerei­nigt und in einem 1000-Liter-Tank zwi­schen­ge­spei­chert. Von dort aus speist sie den Gene­ra­tor. Bis der Stick­stoff in der gefor­der­ten Rein­heit vor­liegt, muss das Gas den Gene­ra­tor mehr­fach durch­lau­fen. Anschlie­ßend gelangt der Stick­stoff in einen Spei­cher und wird dann im Boos­ter nach­ver­dich­tet. „Wenn unse­re Kun­den die Druck­luft effi­zi­ent erzeu­gen, haben sie auch bei der Stick­stoff­pro­duk­ti­on einen Kos­ten­vor­teil“, erklärt Chris­toph Merz. „Denn bei der Stick­stoff­er­zeu­gung mul­ti­pli­ziert sich die Effi­zi­enz der Kom­pres­so­ren über den Druck­luft­fak­tor. Für die rei­ne Druck­luft­er­zeu­gung habe ich den Fak­tor 1; für Stick­stoff der Qua­li­tät 5.0 den Druck­luft­fak­tor 5,5, sofern ein NGP+-Generator zum Ein­satz kommt. Das heißt, ich brau­che 5,5 Kubik­me­ter Druck­luft, um einen Kubik­me­ter Stick­stoff zu erzeu­gen.“ Die neu­en NGP+-Modelle von Atlas Cop­co ver­fü­gen über ein bes­se­res Luft-Stick­stoff-Ver­hält­nis als die Vor­gän­ger­ge­nera­ti­on. Sie sind also effi­zi­en­ter und erzeu­gen mehr Stick­stoff bei gege­be­nem Druckluftverbrauch.

Die Ent­schei­dung für die dreh­zahl­ge­re­gel­ten Kom­pres­so­ren senkt aber nicht nur die Kos­ten der Stick­stoff­pro­duk­ti­on, son­dern hat auch die Inves­ti­ti­ons­kos­ten gedrückt. Denn die hoch­ef­fi­zi­en­ten GA-VSD+-Maschinen wer­den vom Bun­des­amt für Wirt­schaft und Aus­fuhr­kon­trol­le (BAFA) zu 30 % geför­dert. Dies redu­zier­te die Gesamt­in­ves­ti­ti­on und ver­kürzt die Amor­ti­sa­ti­ons­zeit erheblich.

Rund­um sorg­los mit Cover­Ca­re und SmartLink

Sowohl für sei­ne Kom­pres­so­ren als auch für die Stick­stoff-Anla­ge hat Ulrich Hoh­mann einen Cover-Care-Ver­trag mit Merz Druck­luft­tech­nik abge­schlos­sen, der ihm eine fünf­jäh­ri­ge Voll­ga­ran­tie bie­tet. „Das ist prak­tisch ein Rund­um-sorg­los-Paket“, freut sich der Geschäfts­mann. „Eine War­tung der Kom­pres­so­ren haben wir jetzt schon hin­ter uns. Das lief durch den Red­un­danz­kom­pres­sor völ­lig unpro­ble­ma­tisch.“ Die Fern­über­wa­chung Smart­link von Atlas Cop­co über­wacht die Anla­ge und mel­det die War­tungs­ter­mi­ne oder Stö­run­gen voll­au­to­ma­tisch. Die Smart­link-Modu­le sind in den Kom­pres­so­ren und im N2-Gene­ra­tor instal­liert. Bei Bedarf las­sen sich alle Para­me­ter der Anla­ge aus der Fer­ne ein­se­hen. War­tun­gen kön­nen recht­zei­tig geplant wer­den, und bei War­nun­gen oder Stö­run­gen kann das Ser­vice­team von Merz Druck­luft­tech­nik pro­ak­tiv reagieren.

„Für uns war es das ers­te Pro­jekt die­ser Art. Was die Kos­ten und die Amor­ti­sa­ti­ons­zeit angeht, haben wir alles bis ins Kleins­te berech­net und durch­leuch­tet. Das war inter­es­sant und hat sehr viel Spaß gemacht“, resü­miert Chris­toph Merz. „Alles in allem ist es eine sehr schö­ne Anla­ge gewor­den und natür­lich auch eine Refe­renz­an­la­ge für die Merz Druck­luft­tech­nik und für Atlas Cop­co“, ergänzt Ulrich Hoh­mann. „Wir sind bei der Stick­stoff­er­zeu­gung nun aut­ark. Ich ste­he hin­ter die­sem Pro­jekt und wür­de es jeder­zeit wie­der so machen.“

Fotos: Atlas Cop­co Kom­pres­so­ren und Drucklufttechnik

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