Die bei der Drucklufterzeugung entstehende Abwärme stellt ein erhebliches Energie-Einsparpotenzial dar, denn die dem Kompressor zugeführte Energie verwandelt sich am Ende vollständig in Wärme. Diese Tatsache gilt es zu nutzen. Neuerdings in Veröffentlichungen auftauchende Aussagen über angebliche Möglichkeiten der Wärmerückgewinnung ohne Wirkungsgradverluste sind dabei wenig hilfreich, weil sie nicht praxistauglich sind. Doch auch in der alltäglichen Praxis stehen immerhin bis zu 94 Prozent der für die Drucklufterzeugung aufgewandten Energie zur Zweitnutzung bereit. Während der Transformation elektrischer Antriebs- in Wärmeenergie durch den Kompressor wird die Luft durch Verdichten mit einem Energiepotenzial von etwa 25 Prozent der elektrischen Leistungsaufnahme des Kompressors aufgeladen (Abbildung rechts). Dieses Potenzial wird erst nutzbar, wenn die Druckluft sich wieder entspannt und dabei ihrer Umgebung Wärmeenergie entzieht. Je nach Druck- und Leckageverlusten im Druckluftsystem kann mehr oder weniger Energie genutzt werden. Überall, wo Heiz- und Prozesswärme gefragt ist, lässt sich mit Hilfe von Kompressoren der Primärenergieverbrauch erheblich drosseln. Dafür bieten sich zwei Wege an: erstens die direkte Nutzung der von der Kühlluft des Kompressors transportierten Abwärme oder zweitens die indirekte Nutzung durch Wassererwärmung.
Warmluft-Heizung – auch für Kleinbetriebe
Um die Kosten der Drucklufterzeugung niedrig zu halten, werden heute vermehrt luftgekühlte statt wassergekühlte Kompressoren eingesetzt. Die Primärkühlung eines Kompressors mit Luft ist nämlich um etwa 60 Prozent kostengünstiger als mit Wasser. Moderne Kühlertechnik ermöglicht es sogar, Kompressoren bis zu einer Antriebsleistung von 315kW mit Luft zu kühlen. Diese Anlagen erreichen niedrige Druckluft-Austrittstemperaturen, was sich effizienzsteigernd auf die Druckluftaufbereitung auswirkt und die Investitionskosten für die Aufbereitungskomponenten senkt. Bei der Nutzung der vom Kompressor erwärmten Kühlluft gibt es zwischen den Hauptbauarten fluidgekühlter und trockenverdichtender Schraubenkompressor so gut wie keine Unterschiede. Beide geben an ihren Nachkühlern rund 94Prozent der zugeführten Energie über die erwärmte Kühlluft wieder ab (Abbildung S. 184). Deren Temperatur liegt etwa 20K über der ursprünglichen Kühllufttemperatur. Die Warmluft kann über ein Kanalsystem der Nutzung zugeführt werden. Allerdings sollte der Weg zum Einsatzort aus Gründen der Effektivität nicht zu lang sein. Außerdem ist oft keine ganzjährige Nutzung möglich. Dennoch lohnt sich diese Wärmerückgewinnung sogar für Kleinbetriebe, die nur einen fluidgekühlten Schraubenkompressor betreiben. Der Investitionsaufwand ist relativ gering und amortisiert sich oft schon innerhalb eines halben Jahres.
Systemunabhängige Warmwasser-Erzeugung
Das Erwärmen von Wasser durch Wärmerückgewinnung ist sowohl bei fluidgekühlten als auch bei trockenverdichtenden Kompressoren möglich. Allerdings unterscheiden sich die Systeme erheblich. Fluidgekühlte Schraubenkompressoren mit einem zweiten Mediumskreislauf zum Erzeugen von Warmwasser bis zu 70°C gibt es bereits seit Jahren – unabhängig davon, ob sie primär luft- oder wassergekühlt sind. Die Temperaturdifferenz (∆ t) zwischen Vor- und Rücklauf beträgt dabei 20 bis 25°C. Diese Werte sind als Grenzwerte zu betrachten. Werden sie überschritten, dann hat das steigenden Energie- und Wartungsbedarf und somit verringerte Wirtschaftlichkeit der Drucklufterzeugung zur Folge. Im Fluidkreislauf eines Schraubenkompressors befinden sich etwa 70 bis 80 Prozent der anfallenden, nutzbaren Wärmeenergie. Für die Wärmeübertragung werden meist Fluid-Wasser-Wärmetauscher – je nach Anwendung Platten- oder Sicherheitswärmetauscher – eingesetzt. Der Vorteil der fluidgekühlten Kompressoren besteht darin, dass sowohl luft- als auch wassergekühlte Versionen mit Systemen zur Warmwasser-Erzeugung ausgestattet werden können. Bei den luftgekühlten Anlagen kommt ein zusätzlicher Kostenvorteil von etwa 60 Prozent gegenüber Wasserkühlung hinzu. Anders als bei fluidgekühlten ist bei trockenverdichtenden Kompressoren eine Warmwasser-Wärmerückgewinnung nur bei primär wassergekühlten Anlagen möglich. Dazu ist ein direkter Eingriff in den Mediumskreislauf der Drucklufterzeugung notwendig. So lassen sich rund 45 Prozent der Wärmeenergie der ersten und weitere 45 Prozent der zweiten Verdichtungsstufe entnehmen. Das Kühlwasser kann bei einer Temperaturdifferenz von etwa 30°C zwischen Vor- und Rücklauf ebenfalls auf (energetisch sinnvolle) Temperaturen von bis zu 70°C erwärmt werden. Auf die Effizienz der Drucklufterzeugung hat das keinen Einfluss. Allerdings ist zur Temperaturanpassung der Druckluft an die Aufbereitung meist noch ein zweiter Nachkühler (Wärmetauscher) erforderlich. Dessen Druckverlust von nur rund 0,6 Prozent beeinflusst die Effizienz jedoch kaum. Natürlich ist es bei Bedarf auch technisch möglich, höhere Wassertemperaturen von bis zu 90°C zu erreichen. Dies sollte jedoch nicht geschehen, ohne zuvor den sich entsprechend erhöhenden Energie- und Wartungsbedarf des Kompressors sorgfältig zu prüfen. Hinzu kommt, dass sich bei den dann höheren Rücklauftemperaturen (oft circa 70°C), nicht mehr die angestrebten 90 Prozent der elektrischen Energie als Wärmeenergie zurückgewinnen lassen. Vor einer Investition sollten deshalb folgende Fragen geklärt sein:
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- Wie viel Energie investiere ich in den Kompressor?
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- Wie viel Wärmeenergie kann ich aus dem Kompressor zurückgewinnen und nutzen?
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- Wie wichtig ist eine wirtschaftliche Drucklufterzeugung – abgesehen vom zusätzlichen Einspareffekt der Wärmerückgewinnung?
Für eine solche Abwägung müssen alle Parameterveränderungen bekannt sein. Keinesfalls darf nur der Effekt der Energierückgewinnung im Vordergrund stehen.
Sicherheit hat Vorrang
Darüber hinaus ist zu bedenken, dass eine Kompressorstation primär der effizienten Versorgung mit Druckluft und nicht mit Heiz- oder Prozessenergie dient. Um teure Betriebsunterbrechungen und Produktionsausfälle zu vermeiden, muss vor allem die Druckluftverfügbarkeit gesichert sein. Wenn Wärmerückgewinnung eine zusätzliche Effizienzerhöhung ermöglicht, umso besser. Auf das primäre Kühlsystem hat die Wärmerückgewinnung bei fluidgekühlten Schraubenkompressoren normalerweise keinen Einfluss. Dank Steuerung über zwei Thermoventile muss nur dafür gesorgt werden, dass es im Fluid-Wasser-Wärmetauscher zu keiner Wärmeübertragung an den Kompressor kommen kann. Ansonsten ist das Gesamtsystem eigensicher. Es erzeugt die erforderliche Druckluft stets zuverlässig – unabhängig davon, ob Wärme abgenommen wird oder nicht. Im letzteren Fall wird statt des Kühlers der Wärmerückgewinnung automatisch der Primärkühler des Kompressors angesteuert. Eine vergleichbar hohe Sicherheit und Druckluftverfügbarkeit ist bei Warmwasser-Wärmerückgewinnung mit herkömmlichen wassergekühlten Trockenverdichtern nicht zu erreichen. Unter anderem deshalb, weil die Wärmerückgewinnung die Primärkühler nutzt, also direkt in den Kühlprozess des Kompressors eingreift. Kaeser Kompressoren bietet dazu eine Lösung an: Dabei werden die wassergekühlten Versionen der neuen trockenverdichtenden Kompressoren mit einem ähnlichen Sicherheitssystem ausgestattet wie fluidgekühlte Anlagen. Das System ermöglicht einerseits, die anfallende Wärmeenergie zu nutzen. Andererseits wird eine zuverlässige Drucklufterzeugung ohne hohen baulichen Aufwand gewährleistet. Optional lässt sich das System mit einem zweiten Wärmetauscher ausstatten, um auch eine effiziente und verlässliche Druckluftaufbereitung zu garantieren. Die Energieausbeute der Warmwasser-Erzeugung kann so bis zu 90 Prozent erreichen.
Kosten/Nutzen-Analyse unabdingbar
Vor einer Investition sollte auch klar sein, wie hoch Energieeinsparung und Umweltentlastung für den Betrieb ausfallen können. Das hängt nicht zuletzt davon ab, welcher Energieträger (ganz oder teilweise) ersetzt werden soll – Einsparsummen und Emissionsentlastungen fallen je nach Energieträger unterschiedlich hoch aus. Ist die Größenordnung der möglichen Einsparungen geklärt, kann die Planung der Druckluft- und Wärmeversorgung beginnen. Dazu muss durch ein Druckluft-Audit detailliert ermittelt werden, welche Drücke und Druckluftmengen tatsächlich erforderlich sind. Zugleich sollte ein Wärme-Audit analysieren, welche Temperaturniveaus und welche Wärmemengen nötig sind. Druckluft- und Wärme-Audits haben bereits in einer Reihe von Betrieben der Automobilzulieferer-, Metall- und Pharmaindustrie zahlreiche Synergieeffekte zutage gefördert. Dadurch konnten die Gesamtenergiekosten dieser Betriebe deutlich gesenkt werden. Ratsam ist es zudem, die Maßnahmen im Rahmen eines ganzheitlichen Gebäudemanagements durchzuführen. So können weitgehend alle Effizienzpotenziale und Synergien erfasst und nutzbar gemacht werden.
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