Drucklufttechnik Mehr Effizienz in der Druckluft durch Abwärmenutzung

Autor / Redakteur: Erwin Ruppelt und Michael Bahr / Stéphane Itasse

Für die Energiewende muss auch die Energieeffizienz deutlich gesteigert werden. Das betrifft unter anderem die Druckluft, die immerhin 10 % des EU-weiten Verbrauchs elektrischer Energie in Industrie und Handwerk ausmacht. Ein oft noch unzureichend genutztes Effizienzpotenzial bietet die Kompressorabwärme.

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Bei vielen Anwendern hat Druckluft noch immer den Ruf, ein teurer Energieträger zu sein. In der Tat scheint einiges dafür zu sprechen, denn etwa 70 %, in Extremfällen sogar bis zu 90 % der Druckluftkosten sind Energiekosten – und Energie ist bekanntermaßen teuer.

Bei genauerer Betrachtung stellt sich aber schnell heraus, dass in der Druckluftversorgung enorme Effizienzpotenziale stecken. Eines der größten Potentiale bietet die Kompressorabwärme: Wer sie nicht nutzt, verzichtet fast auf die gesamte Antriebsenergie der Kompressoren, denn ein Kompressor wandelt 100 % seiner Leistungsaufnahme in Wärme um.

Bis zu 96 % der Abwärme bei der Drucklufterzeugung nutzbar

Die angesaugte Luft lädt er hingegen bei der Verdichtung mit einem Energiepotenzial auf. Es entspricht etwa 25 % der Leistungsaufnahme und wird (abzüglich der Verluste durch Druckabfall und Leckagen) erst nutzbar, wenn die Druckluft sich wieder entspannt und dabei der Umgebung Wärme entzieht. Daneben stehen bis zu 96 % der Abwärme für die Zweitnutzung, beispielsweise für Heizzwecke in der kalten Jahreszeit oder ganzjährig als Prozesswärme, zur Verfügung (Bild 1 – siehe Bildergalerie).

Wenn sich die Druckluftanwender beim Thema Wärmerückgewinnung noch immer zurückhalten, so liegt das weniger an den eher bescheidenen erforderlichen Investitionen für Wärmerückgewinnung. Ein wesentlicher Beweggrund ist, was die Hochschule Luzern jüngst in einer Studie für die Schweiz ermittelt hat: Demnach ist „das größte Hemmnis für die Implementierung von Energieeffizienztechniken nicht der Preis, sondern fehlendes Know-how über effektive Einsparpotenziale“ [1].

Vor allem kleine und mittlere Unternehmen nutzen Druckluftabwärme zu wenig

Interessant ist in diesem Zusammenhang die Feststellung, dass vor allem kleine und mittlere Unternehmen sich noch zu wenig dieser Techniken bedienen. Festzuhalten bleibt aber, dass in jedem Betrieb, der Heiz- oder auch Prozesswärme benötigt, Kompressoren dazu beitragen können, den Primärenergieverbrauch erheblich zu reduzieren. Dies kann auf zwei Wegen geschehen: entweder durch direktes Nutzen der erwärmten Kühlluft des Kompressors oder durch Wassererwärmung mit Hilfe von Wärmetauschern.

Direkte Nutzung der Abwärme für Prozesse amortisiert sich schnell

Bei der ersten Variante leiten Luftkanäle mit thermostatisch gesteuerten Klappen (zur Temperierung) die warme Abluft von den Kompressoren zum Heizen direkt in benachbarte Betriebsräume. Um die Effektivität dieser Warmluftheizung nicht einzuschränken, sollte der Weg der Abluft vom Kompressor zum Einsatzort jedoch nicht zu weit sein.

Bei diesem Verfahren gibt es zwischen den Hauptbauarten, fluidgekühlten und trocken verdichtenden Schraubenkompressoren, so gut wie keine Unterschiede. Beide geben an ihren Nachkühlern bis zu 96 % der zugeführten Energie über die erwärmte Kühlluft wieder ab; deren Temperatur liegt etwa 20 K über der ursprünglichen Kühllufttemperatur.

Einen zusätzlichen Kostenvorteil bieten primär luftgekühlte Anlagen: Luftkühlung ist um etwa 60 % kostengünstiger als Wasserkühlung. Heute stehen Schraubenkompressoren mit bis zu 355 kW luftgekühlt zur Verfügung. Auch wenn sie nicht ganzjährig genutzt werden kann, lohnt sich diese Art der Wärmerückgewinnung: Die Investition für die Warmluftführung ist relativ niedrig und amortisiert sich in der Regel schon innerhalb eines Jahres.

Erhebliche Systemunterschiede bei der indirekten Abwärmenutzung

Auch das indirekte Nutzen der Abwärme durch Wassererwärmung ist bei fluidgekühlten wie bei trocken verdichtenden Schraubenkompressoren möglich. Allerdings gibt es erhebliche Systemunterschiede. 76 bis 96 % der installierten Kompressorleistung stehen hier zur Zweitnutzung bereit.

Am kostengünstigsten sind Plattenwärmetauscher. Besonders sensible Anwendungen, wie etwa das Erwärmen von Trinkwasser, erfordern allerdings Sicherheitswärmetauscher.

  • Fluidgekühlte Schraubenkompressoren mit Wärmetauscher und einem zweiten Mediumskreislauf zum Erwärmen von Wasser auf bis zu 70 °C sind schon lange erhältlich. Dabei ist es gleich, ob primär mit Luft oder Wasser gekühlt wird. Zwischen Vor- und Rücklauf besteht eine Temperaturdifferenz von 20 bis 25 K. Ein Überschreiten dieser Werte hat steigenden Energie- und Wartungsbedarf zur Folge. Der Vorteil fluidgekühlter Kompressoren ist, dass sowohl primär luft- als auch wassergekühlte Versionen mit Systemen zur Wassererwärmung ausgestattet werden können. Bei den luftgekühlten Anlagen kommt noch der Kostenvorteil von circa 30 % für die Kühlung hinzu.
  • Trocken verdichtende Schraubenkompressoren eignen sich im Gegensatz zu den fluidgekühlten nur in primär wassergekühlter Ausführung zum Erwärmen von Wasser. Dafür ist ein direkter Eingriff in den Mediumskreislauf erforderlich. So lassen sich beiden Verdichtungsstufen je rund 45 % der rückgewinnbaren Wärme entnehmen, etwa 6 % stehen zusätzlich über den Ölkreislauf zur Verfügung – insgesamt also 96 %. Bei einer Temperaturdifferenz von etwa 30 K zwischen Vor- und Rücklauf kann das Kühlwasser wie bei den fluidgekühlten Versionen auf Temperaturen von bis zu 70 °C erwärmt werden. Auf die Effizienz der Drucklufterzeugung hat das keinen Einfluss. Allerdings ist meist noch ein zweiter Nachkühler erforderlich, um die Drucklufttemperatur an die Erfordernisse der nachgeschalteten Aufbereitung anzupassen. Mit einem Druckverlust von etwa 0,6 % beeinträchtigt er die Energieeffizienz aber kaum.

Wasser mit Abwärme der Druckluft auf bis zu 90 °C erhitzbar

Auch höhere Wassertemperaturen von bis zu 90 °C lassen sich erreichen, was aber höheren Energie- und Wartungsbedarf des Kompressors verursacht. Zudem können bei den dann erhöhten Rücklauftemperaturen (oft circa 70 °C) nicht mehr die möglichen 96 % der Kompressor-Leistungsaufnahme als Wärme zurückgewonnen werden.

  • In fluidgekühlten Schraubenkompressoren beeinflusst die Wärmerückgewinnung die primäre Kühlung üblicherweise nicht. Dank Steuerung über zwei Thermoventile wird dafür gesorgt, dass im Fluid-Wasser-Wärmtauscher keine Wärme an den Kompressor übertragen wird. Ansonsten ist das System selbststeuernd. Bei fehlendem Wärmebedarf wird statt des Kühlers der Wärmerückgewinnung automatisch der Primärkühler des Kompressors angesteuert.
  • Bei primär wassergekühlten trocken verdichtenden Schraubenkompressoren herkömmlicher Bauart hingegen sind Sicherheit und Druckluftverfügbarkeit noch ausbaufähig. Das liegt unter anderem daran, dass die Wärmerückgewinnung direkt in den Kühlprozess des Kompressors eingreift, indem sie dessen Primärkühler nutzt. Zudem ist wegen hoher Druckluft-Austrittstemperaturen oft ein zweiter Nachkühler und bei ausbleibender Wärmeabnahme für zusätzliche Nachkühlung ein bauseitiger Sicherheitswärmetauscher notwendig.

Mittlerweile gibt es auch primär wassergekühlte trocken verdichtende Schraubenkompressoren mit einem ähnlichen Sicherheitssystem (Bild 2) wie bei fluidgekühlten Anlagen. Es ist in den Kompressor integriert und gewährleistet unabhängig von der Abwärmenutzung zuverlässige Drucklufterzeugung ohne großen bauseitigen Aufwand.

Für verlässliche und effiziente Druckluftaufbereitung kann darüber hinaus noch ein zweiter Wärmetauscher eingebaut werden. So ist letzten Endes eine Energieausbeute in Höhe von bis zu 96 % der elektrischen Leistungsaufnahme des Kompressors möglich.

36 % der Heizkosten durch Nutzen der Kompressorabwärme gespart

Welche Effizienzsteigerungen mit gezielter Wärmerückgewinnung bei Schraubenkompressoren möglich sind, zeigt das Beispiel aus der Praxis eines Mühlenbetriebs. Der Vergleich der Jahre 2007, als noch ohne Nutzung der Kompressorabwärme gearbeitet wurde, und 2011 spricht für sich: Bei der Gasheizung konnten insgesamt 552.000 kWh eingespart werden. Diese Ersparnis entspricht beachtlichen 36 % der gesamten Heizkosten des Betriebs.

Im Jahresdurchschnitt ist es gelungen, 52 % der Kompressorleistungsaufnahme für Heizzwecke gewissermaßen ein zweites Mal zu nutzen; der Spitzenwert betrug 71 %. Das folgende Diagramm (Bild 3) veranschaulicht den Energieverbrauch und die erzielten Einspareffekte.

Bereits einzelne Maßnahmen können zur Erhöhung der Energieeffizienz des Druckluftsystems und entsprechender Kostensenkung beitragen. Wer aber eine umfassende Optimierung anstrebt, sollte das System ganzheitlich betrachten und entsprechend handeln.

Dabei ist es ratsam, alle Maßnahmen zur Steigerung der Drucklufteffizienz im Rahmen eines ganzheitlichen Energie- und Gebäudemanagements zu planen und durchzuführen. Auf diese Weise lassen sich alle Einsparpotenziale und Synergien weitestgehend erfassen, umsetzen und schließlich nutzen.

Literatur

  • [1] Know-how-Defizit bei Energieeffizienz. In: P&Aweek, 21.03. (2012), S. 2

* Dipl.-Ing. (FH) Erwin Ruppelt ist leitender Projektingenieur der Kaeser Kompressoren GmbH in 96410 Coburg, Michael Bahr ist Pressereferent im selben Unternehmen

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