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Energierückgewinnung bei Kompressorsystemen

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Viele Anlagen, die Druckluft produzieren, bieten erhebliche und häufig nicht genutzte Energieeinsparmöglichkeiten in Form von Energierückgewinnung. In der Großindustrie können bei den Energiekosten bis zu 80 % der Gesamtkosten auf die Druckluftproduktion entfallen. Allerdings kann ein großer Teil dieser Energie zurückgewonnen werden, wodurch hohe Kosteneinsparungen möglich sind.

Was bedeutet Energierückgewinnung bei Kompressoranlagen?

Wärmeenergierückgewinnung bei Kompressorsystemen, Diagramm

Beim Verdichten von Luft entsteht Wärme. Vor dem Einleiten der Druckluft in das Leitungssystem wird die Wärmeenergie entzogen, aus der Abwärme entsteht. Bei jeder Druckluftanlage muss gewährleistet sein, dass sie ausreichend und zuverlässig gekühlt werden kann. Die Kühlung kann durch Außenluft oder durch ein Kühlwassersystem erfolgen, das über das lokale Wasserversorgungsnetz, mit Flusswasser oder Prozesswasser versorgt wird und in einem offenen oder geschlossenen System arbeitet.

 Eine zentrale Kompressoranlage in der Großindustrie, die 500 kW in 8.000 Betriebsstunden pro Jahr verbraucht, hat einen jährlichen Energieverbrauch von 4 Millionen kWh. Die Möglichkeiten zur Rückgewinnung großer Energiemengen aus Warmluft oder warmem Wasser sind durchaus real. Bis zu 94 % der Energie, die dem Kompressor zugeführt wird, kann zurückgewonnen werden, z. B. als 90 °C warmes Wasser aus ölfreien Schraubenkompressoren. Diese Tatsache verdeutlicht, dass die Einsparungen schnell eine erhebliche Rendite erzeugen.

Die Kosten für die Energierückgewinnung sind in der Regel innerhalb von nur 1 bis 3 Jahren wieder erwirtschaftet. Darüber hinaus verbessert die in einem geschlossenen Kühlsystem zurückgewonnene Energie die Betriebsbedingungen, Zuverlässigkeit und Lebensdauer des Kompressors durch weniger Temperaturschwankungen und eine hohe Kühlwasserqualität, um nur einige wenige Vorteile zu nennen. Die nordischen Länder sind in diesem Feld Vorreiter, denn dort ist die Energierückgewinnung bei Kompressorsystemen schon seit einiger Zeit herkömmliche Praxis. Die meisten mittelgroßen bis großen Kompressoren der wichtigsten Hersteller sind mittlerweile auf die Montage mit Standardgeräten zur Wärmeenergierückgewinnung vorbereitet.

Wie wird das Rückgewinnungspotenzial berechnet?

Die Gesetze der Physik bestimmen, dass nahezu die gesamte Energie, die einer Kompressoranlage zugeführt wird, in Wärme umgewandelt wird. Je mehr Energie zurückgewonnen und für andere Prozesse genutzt werden kann, desto größer die Gesamteffizienz des Systems.

a formula for dimensioning

Zurückgewonnene Energie in kWh/Jahr:
Einsparungen pro Jahr (€):
TR = Zeit mit Bedarf an zurückgewonnener Energie (Std./Jahr)
K1 = Anteil von TR mit Kompressor unter Last (Std./Jahr)
K2 = Anteil von TR mit Kompressor ohne Last (Std./Jahr)
Q1 = Verfügbare Kühlmittelleistung bei Kompressor unter Last (kW)
Q2 = Verfügbare Kühlmittelleistung bei Kompressor ohne Last (kW)
ep = Energiepreisniveau (€/kWh)
η = Normaler Wärmequellenleistungsgrad (%)

In vielen Fällen kann der Grad der Wärmerückgewinnung 90 % überschreiten, wenn die durch die Kühlung des Kompressors gewonnene Energie effizient genutzt werden kann. Die Funktion des Kühlsystems, die Entfernung zum Verbrauchsort und der Grad und die Kontinuität des Wärmebedarfs sind entscheidende Faktoren. Bei großen thermischen Strömungen ist der Verkauf der zurückgewonnenen Wärmeenergie eine Möglichkeit, die nicht ignoriert werden sollte. Stromversorgungsunternehmen könnten potenzielle Abnehmer sein. Eine weitere Einsparungsmöglichkeit besteht bei der Koordination der Energierückgewinnung mehrerer Prozesse.

Wie wird Energie bei einem luftgekühlten System zurückgewonnen?

Die Energierückgewinnung bei Druckluftanlagen liefert nicht immer dann Wärme, wenn diese erforderlich ist, und oft nicht in ausreichender Menge. Die Menge der zurückgewonnenen Energie variiert im Laufe der Zeit, wenn der Kompressor eine variable Last hat. Damit sich die Rückgewinnung lohnt, ist ein entsprechender, relativ stabiler Wärmeenergiebedarf erforderlich. Die Rückgewinnung von Wärmeenergie wird am besten zur Ergänzung der für die Versorgung des Systems benötigten Energie genutzt. Auf diese Weise wird die verfügbare Energie immer genutzt, wenn der Kompressor in Betrieb ist. Zu den Optionen für luftgekühlte Kompressoren, die einen hohen Warmluftdurchsatz bei relativ niedrigen Temperaturen haben, gehören die direkte Gebäudebeheizung und der Wärmeaustausch mit einer Vorwärmbatterie. Die beheizte Kühlluft wird dann mit einem Lüfter verteilt.

Wenn Gebäude keine zusätzliche Wärme benötigen, wird die warme Luft in die Atmosphäre abgeleitet, entweder automatisch durch Thermostatsteuerung oder manuell durch Steuerung des Luftdämpfers. Ein einschränkender Faktor ist dabei die Entfernung zwischen den Kompressoren und dem Gebäude, das beheizt werden soll. Dieser Abstand sollte begrenzt sein (vorzugsweise auf den Abstand zwischen angrenzenden Gebäuden). Darüber hinaus kann die Möglichkeit der Rückgewinnung auf die kälteren Perioden des Jahres begrenzt werden. Die Wärmeenergierückgewinnung aus luftgekühlten Kompressorsystemen wird bei kleinen und mittelgroßen Kompressoren häufiger eingesetzt. Die Rückgewinnung von Abwärme aus Kompressorluftkühlsystemen führt zu nur geringfügigen Verlusten bei der Verteilung und erfordert kaum Investitionen.

Wie wird Energie bei einem wassergekühlten System zurückgewonnen?

Das Kühlwasser von wassergekühlten Kompressoren mit einer Temperatur von bis zu 90 °C kann Warmwasseranlagen ergänzen. Wenn das warme Wasser zum Waschen, Reinigen oder Duschen verwendet wird, ist zusätzlich ein normaler Warmwasserboiler erforderlich. Die vom Druckluftsystem zurückgewonnene Energie bildet eine zusätzliche Wärmequelle, die die Belastung des Heizkessels reduziert, Heizkraftstoff einspart und potenziell den Einsatz eines kleineren Kessels ermöglichen könnte.

Die Voraussetzungen für die Energierückgewinnung von Druckluftkompressoren unterscheiden sich je nach Art des Kompressors. Ölfreie Standard-Kompressoren sind einfach für die Energierückgewinnung zu modifizieren. Dieser Kompressortyp eignet sich ideal für die Integration in ein Warmwasserheizsystem, da er die Wassertemperatur (90 °C) zur Verfügung stellt, die für eine effiziente Energierückgewinnung erforderlich ist. Bei ölgeschmierten Kompressoren stellt das Öl, das in den Kompressionsprozess involviert ist, einen Faktor dar, der die Möglichkeiten für hohe Kühlwassertemperaturen einschränkt. Bei Zentrifugalverdichtern sind die Temperaturwerte im Allgemeinen aufgrund des niedrigeren Druckverhältnisses pro Kompressionsstufe geringer, wodurch der Grad der Rückgewinnung begrenzt wird.

Die Energierückgewinnung bei wassergekühlten Kompressoren eignet sich am besten für Kompressoren mit elektrischen Motorleistungen von über 10 kW. Die Energierückgewinnung von Abfallenergie bei wassergekühlten Kompressoren erfordert eine komplexere Installation als die Energierückgewinnung bei luftgekühlten Kompressoren. Die Grundausrüstung besteht aus Flüssigkeitspumpen, Wärmetauschern und Regelventilen.

Die Wärme kann bei der Energierückgewinnung bei wassergekühlten Kompressoren auch bei relativ kleinen Rohrdurchmessern (40 – 80 mm) ohne erhebliche Wärmeverluste an weiter entfernte Gebäude verteilt werden. Die hohe Anfangstemperatur des Wassers bedeutet, dass die Energierückgewinnung zur Erhöhung der Rücklaufwassertemperatur von Heizkesseln verwendet werden kann. Daher kann die normale Heizquelle regelmäßig ausgeschaltet und durch das Wärmerückgewinnungssystem des Kompressors ersetzt werden.

Die Abwärme von Kompressoren kann in der Prozessindustrie auch genutzt werden, um die Prozesstemperatur zu erhöhen. Es ist auch möglich, luftgekühlte ölgeschmierte Schraubenkompressoren zur wasserbasierten Energierückgewinnung einzusetzen. Dies erfordert einen Wärmetauscher im Ölkreislauf, und das System liefert Wasser mit einer niedrigeren Temperatur (50 °C – 60 °C) als bei ölfreien Kompressoren.

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