Drucklufttrocknung
Die verdichtete Luft aus dem Kompressor ist nach der oben beschriebenen Flüssigkeitsabscheidung vollständig mit Wasserdampf gesättigt, wobei der Feuchtegehalt von der Drucklufttemperatur abhängt. Um eine Kondensatbildung im Netz und bei den Druckluftverbrauchern zu verhindern, muss die Luft weiter getrocknet werden, wobei das Ausmaß von der jeweiligen Druckluftanwendung abhängt. Je geringer die Drucklufttemperatur ist, desto niedriger ist der Feuchtegehalt, den die Druckluft tragen kann. Durch Absenken der Temperatur lässt sich also weitere Feuchte auskondensieren.
Als Taupunkttemperaturen werden die Temperaturen bezeichnet, bei denen das Luft-Wasserdampfgemisch mit dem jeweiligen Mischungsverhältnis zu 100 Prozent mit Wasserdampf gesättigt ist (relative Feuchte 100 Prozent). Der Trocknungsgrad der Druckluft wird mithilfe der jeweiligen Taupunkttemperaturen angegeben. Die wichtigsten Trocknungsverfahren sind die Kältetrocknung, die Adsorptionstrocknung, die Membrantrocknung und die Filtration.
Kältetrockner
Bei der Kältetrocknung wird der Sachverhalt genutzt, dass die Druckluft mit sinkender Temperatur immer weniger Wasserdampf tragen kann; dieser lässt sich also durch Kühlung auskondensieren. Die Druckluft wird mithilfe des Kältetrockners in einem Wärmeübertrager gekühlt, wobei Wasser- und Öldampf auskondensiert werden und vorhandene Öltröpfchen sowie Stäube im auskondensierten Wasser ebenfalls entfernt werden.
Um den Energieeinsatz zu begrenzen, arbeiten Kältetrockner in einem ersten Schritt nach dem Prinzip der "Kälterückgewinnung": Die noch warme einströmende Druckluft wird im Luft/Luft-Wärmeübertrager durch die bereits gekühlte, austretende Druckluft gekühlt, wobei etwa zwei Drittel des Wasserdampfs auskondensieren. Danach wird die Druckluft in einem Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager gekühlt, wobei der geforderte Drucktaupunkt erreicht wird und weiteres Kondensat entsteht, das mit einem Kondensatabscheider abgeführt wird.
Beide Lösungen können in einer Baukomponente integriert oder gesondert hintereinandergeschaltet sein. Hinsichtlich der Energieeffizienz ist die integrierte Technik günstiger, weil der Gesamtdruckabfall gegenüber hintereinandergeschalteten Einzeltechniken geringer ist. In Kältetrocknern werden Drucktaupunkte von +2 bis +3 °C erreicht; dies genügt für viele Anwendungsfälle und ist häufig wirtschaftlicher als die Technik der Adsorptionstrocknung.
Adsorptionstrockner
In Adsorptionstrocknern wird der in der Druckluft enthaltene Wasserdampf durch ein Trockenmittel – ein Adsorbens – entfernt. Der Dampf wird von der Oberfläche des Adsorbens aufgenommen und verflüssigt. Zwei Bereiche werden abwechselnd beaufschlagt: Während im ersten Behälter der Adsorptionsvorgang abläuft, wird im zweiten Behälter das Adsorbens durch Trocknung vom Wasser wieder befreit. Adsorptionstrockner erreichen tiefe Drucktaupunkte zwischen -20 und -70 °C; somit enthält die Druckluft kaum mehr Wasserdampf.
Bei der Regeneration wird zwischen der Kalt- und der Warmregeneration unterschieden. Beim – in der Anschaffung kostengünstigen, aber wenig energieeffizienten – Verfahren der Kaltregeneration wird ein Teil der bereits getrockneten Druckluft durch das zu regenerierende Adsorbens geführt, wobei die Flüssigkeit mitgerissen wird; dann wird die befeuchtete Druckluft ausgeblasen. Bei der Warmregeneration wird erwärmte Umgebungsluft oder erwärmte Luft aus dem Druckluftsystem durch das Adsorbens geführt. Effizient für die Wärmezufuhr ist dabei die Nutzung der Abwärme, die bei der Luftverdichtung im Kompressor anfällt.
Eine weitere Möglichkeit der Warmregeneration ist die Gebläse- oder Vakuumpumpenregeneration, bei der Umgebungsluft mit einem Gebläse durch die Heizung und über das Adsorbens gefördert wird; bei einer anderen Technik wird die über dem Heizregister erwärmte Außenluft über das Adsorptionsmittel hinweg mit einer Vakuumpumpe abgesaugt. Nach der Heizphase wird mit Umgebungsluft und Druckluft gekühlt. Der Einsatz von Umgebungsluft zur Kühlung verringert den Druckluftverbrauch, kann jedoch nur dann genutzt werden, wenn die Luftfeuchtigkeit gering ist.
Adsorptionstrockner verfügen über eine zeitabhängige Steuerung. Mit einer zusätzlichen beladungsabhängigen Steuerung, bei der am Trockneraustritt die Drucktaupunkt-Änderung von einem Sensor erfasst wird, wird der Trocknungsablauf an die Lastsituation angepasst.
Membrantrockner
Im Falle kleiner Druckluft-Normvolumenströme kann ein Membrantrockner als Ergänzung bzw. Alternative zu Kältemaschinen-Kältetrocknern und Adsorptionstrocknern eingesetzt werden. Dabei werden Polymer-Hohlfasermembrane ohne Poren verwendet; die Luft wird zurückgehalten, während der Dampf sich im Membranmaterial löst und durch die Membran hindurchdiffundiert.
Filtration
Durch Filtration werden Verunreinigungen wie Ölnebel von öleingespritzten Verdichtern sowie Stäube und Kohlenwasserstoffe aus der Umgebungsluft entfernt, die sich in der Druckluft in aufkonzentrierter Form finden. Im Filter entsteht infolge der Durchströmung ein Druckabfall, der vom Verdichter mit einem entsprechenden Energieaufwand überwunden werden muss.
Dieser Druckverlust ist umso höher, je höher die geforderte Reinheit der gefilterten Luft ist. Wegen des hohen Druckabfalls bei verschmutzten Filtern ist ein rechtzeitiger Austausch ratsam. Als Anhaltswert gilt, dass je bar Druckabfall im Filter mit einem zusätzlichen Energiebedarf von 8 Prozent zu rechnen ist.
Im Folgenden sind optimale sowie ungünstige Werte von Druckdifferenzen in einzelnen Komponenten einer Druckluftanlage aufgeführt:
Regelungs- und Steuerungssysteme
In Druckluftanlagen haben Regelungs- und Steuerungsvorrichtungen die Aufgabe, die Anlagen so zu betreiben, dass die Druckluft stets mit dem erforderlichen Druck sowie in ausreichender Menge und in der erwünschten Beschaffenheit verfügbar ist. Übergeordnete Steuerungen sollen darüber hinaus den Anlagenbetrieb so optimieren, dass die nötige Energie effizient eingesetzt wird und dabei ein Kostenminimum erreicht wird.
Die Möglichkeiten, mit optimierten Steuerungs- und Regelungssystemen Energie einzusparen, sind erheblich. In vielen Betrieben arbeiten Verdichter wenig koordiniert miteinander: Es fehlt eine präzise Abstimmung zwischen der Drucklufterzeugung und dem Druckluftverbrauch. Der Druckluftverbrauch ist – abhängig von der Arbeitsauslastung bei den gefahrenen Betriebsschichten – oft sehr unterschiedlich, und die auftretenden Teillastbetriebszeiten sind durch eine ineffiziente Druckluftnutzung gekennzeichnet.
Viele Betreiber versuchten deshalb in Zeiten wachsender Betriebsgröße, durch den Einsatz mehrerer kleinerer Verdichter – statt eines einzigen größeren Verdichters – dem wechselnden Druckluftbedarf Rechnung zu tragen. Dies führte allerdings dazu, dass zur stufenweisen Einschaltung der Verdichter eine Druckerhöhung um 1 bis 2 bar erforderlich war – unter Inkaufnahme des Nachteils, dass bei einer Druckerhöhung um 1 bar rund 6 Prozent mehr elektrische Energie nötig sind. Durch elektronische Druckaufnehmer sowie Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) oder PC-Steuerungen konnte Abhilfe geschaffen werden.
Inzwischen gibt es viele Möglichkeiten, Verdichter leistungsabhängig zu steuern – von verdichterinternen Steuerungen bis hin zu Verbundsteuerungssystemen. Dabei werden die Begriffe Steuerung und Regelung oft nicht eindeutig verwendet, sondern vermischt. Das Wort Regelung bezeichnet ein System, bei dem – im Gegensatz zu einer Steuerung – eine Rückkopplung besteht. Bei einer Regelung wird stetig gemessen, inwieweit der vorgegebene Regelwert tatsächlich erreicht ist (Soll-Ist-Vergleich); darauf aufbauend wird aus der Abweichung automatisch ein Signal für die Änderung eines Stellgliedes errechnet.
Demgegenüber wird der Begriff Steuerung meist so verwendet, dass es keine stetige Rückkopplung gibt. Die erforderlichen Steuerungssignale werden beispielsweise von einer bedienenden Person oder von einem Programm ausgegeben. Steuerungen und Regelungen lassen sich auch miteinander verbinden und ineinander verschachteln.
Bei Druckluftstationen wird zwischen der internen Regelung der einzelnen Verdichter und der übergeordneten Steuerung bzw. Regelung, bei der das Zusammenwirken der einzelnen Verdichter organisiert wird, unterschieden: Interne Regelungen dienen dazu, den jeweiligen Verdichter an die schwankenden Bedarfswerte des Druckluft-Volumenstroms und an den geforderten Druck anzupassen; gegebenenfalls wird auch dafür gesorgt, dass die geforderte Beschaffenheit der Druckluft eingehalten wird. Außerdem verhindern sie eine Überlastung der jeweiligen Verdichter.
Häufig bestehen Verdichterstationen aus mehreren Verdichtern. Die übergeordnete Steuerung übernimmt dabei die Aufgabe, die einzelnen Verdichter optimal auszulasten und ihren Einsatz entsprechend dem Druckluftverbrauch zu koordinieren und zu überwachen.
Interne Regelungen
Bei den internen Regelungsarten für Verdichter wird zwischen diskontinuierlichen und kontinuierlichen Regelungen unterschieden.
Volllast-Leerlauf-Aussetzregelung
Eine häufige Regelung ist die Volllast-Leerlauf-Aussetzregelung, die bei nicht drehzahlgeregelten Antrieben eingesetzt wird. Beginnt der Verdichterbetrieb mit der Erzeugung von Druckluft und erreicht der Betriebsdruck die eingestellte obere Druckgrenze pmax, wird der Verdichter nicht in den Stillstand geschaltet, sondern geht in den Leerlaufbetrieb durch Druckentlastung über; der Verdichter läuft also weiter, komprimiert dabei aber keine Luft.
Bei der Entnahme von Druckluft durch die Druckluftverbraucher fällt der Druck ab. Wird während der Leerlaufzeit die untere Druckgrenze pmin erreicht, schaltet sich der Verdichter wieder ein und geht in den Volllastbetrieb. Ist der Druckluftverbrauch gering, wird nach Ablauf einer Leerlaufzeit der Verdichter ausgeschaltet (Stillstand). Weil der Verdichter in der Leerlaufzeit Energie benötigt, ist ein zusätzlicher Energiebedarf von etwa 20 bis 50 Prozent in Kauf zu nehmen. Mit einer Leerlaufregelung mit optimierter Leerlaufzeit wird versucht, diesen Nachteil zu begrenzen: Dabei wird die Nachlaufzeit verringert.
Anlagen mit diskontinuierlicher Regelung werden innerhalb der Druckgrenzen pmax und pmin geregelt. Bei älteren mechanischen Druckschaltern beträgt die Druckdifferenz pmax – pmin, auf die sich die Last- und Leerlaufschaltungen beziehen, teilweise bis zu 1 bar; diese Differenz kann durch den Einsatz moderner Druckaufnehmer auf etwa 0,2 bar vermindert werden; damit wird der zusätzliche Energieverbrauch vermindert.
Drehzahlregelung
Moderne Verdichter können werksseitig mit einer Drehzahlregelung ausgestattet werden. Meist wird dabei ein Frequenzumricher oder eine Technik zur Gleichstrommodulation eingesetzt. Ist die untere Druckgrenze pmin erreicht, werden die Anlagen angefahren und darauf entlang einer Kennlinie auf die nötige Drehzahl hochgefahren, um den erwünschten Ist-Druck zu erreichen. Wenn der Druckluftverbrauch unter den Regelbereich des Verdichters absinkt, wird je nach Folgesteuerung die Anlage in den Stillstand oder in den Leerlauf geschaltet.
Mit der Drehzahlregelung können Verdichter sehr energieeffizient geregelt werden, sofern der Verdichter im besonders günstigen Wirkungsgradbereich von etwa 35 bis 80 … 95 Prozent seiner Nennleistung eingesetzt wird. Mit der Drehzahlregelung lässt sich eine gute Druckkonstanz erzielen. Beim Betrieb mehrerer Verdichter hat es sich bewährt, die im Grund- und Mittellastbereich arbeitenden Verdichter ohne Drehzahlregelung und den Verdichter für die Spitzenlastdeckung mit Drehzahlregelung zu betreiben, falls für das Gesamtsystem eine übergeordnete, verbrauchsabhängige Steuerung verwendet wird, mit der sich die Verdichter optimal einsetzen lassen.
Abblaseregelung
Wenig energieeffizient ist die Abblaseregelung, weil der Verdichter bei Überschreitung des Soll-Drucks einen Teil der verdichteten Luft in die Atmosphäre abgibt.
Ansaugdrosselregelung
Ebenfalls wenig energieeffizient ist der Verdichterbetrieb mit einer Ansaugdrosselregelung; solche Verdichter weisen eine Volllast-Leerlauf-Aussetz-Regelung auf und sind mit einem weiteren Regler ausgestattet, der auf einen bestimmten Regeldruck eingestellt ist. Wenn dieser erreicht ist, wird beim Übersteigen bzw. beim Unterschreiten des Regeldrucks das Einlassventil des Verdichters entweder kurzzeitig geschlossen oder kurzzeitig geöffnet. Der so erzeugte Drosseleffekt führt zu einem unerwünschten Druckabfall im Ventil, wobei sich dies auf den Leistungsbedarf des Verdichters ungünstig auswirkt.
Übergeordnete Steuerungen
Mit einer übergeordneten Steuerung wird der Betrieb mehrerer Verdichter verbrauchsabhängig optimiert; damit lassen sich die Lebenszykluskosten der Gesamtanlage minimieren, die meist ganz überwiegend aus den Energiekosten bestehen. Dabei werden z.B. die Leerlaufzeiten ungeregelter Verdichter vermindert und der Einsatz eines oder mehrerer drehzahlgeregelter Verdichter im angepassten Teillastbetrieb bevorzugt.
Hierzu verarbeitet die Steuerung zu jedem Zeitpunkt die wichtigsten Informationen über die Betriebszustände der einzelnen Verdichter (Volllast, Leerlauf, Stillstand von ungeregelten Verdichtern, Teillast bzw. Drehzahl von geregelten Verdichtern). Mit den – über Drucksensoren gewonnenen – Informationen ermittelt die Steuerung, welcher Druckluftnormalvolumenstrom gerade von den Verbrauchern benötigt wird; darauf aufbauend werden die einzelnen Verdichter zu- und ausgeschaltet.
Neue übergeordnete Steuerungen lassen sich mit zahlreichen weiteren Mess-, Analyse- und Auswertesystemen verbinden; sie lassen sich damit als Energiecontrollingsysteme – mit dem Gewicht auf die Druckluftversorgung – kennzeichnen.
Einfache Kaskadenregelung
Bei der Druck-Kaskadenregelung werden mehrere Verdichter so koordiniert, dass jedem Verdichter ein bestimmter Schaltbereich zugeordnet wird. Der Schaltbereich ist durch einen Höchstdruck pmax und einen Mindestdruck pmin als Steuerungsdifferenz charakterisiert. Die Kaskadenregelung kann im Allgemeinen bei Anlagen mit bis zu vier Verdichtern verwendet werden. Gegenüber verbesserten übergeordneten Steuerungen werden dabei gröbere Anpassungen vorgenommen, da durch die Kaskadierung ein deutlich höherer Höchstdruck gegenüber dem erwünschten Netzdruck nötig ist.
Druckbandregelung
Bei verbesserten übergeordneten Steuerungen können beliebig viele Anlagen über ein Druckband gesteuert werden. Weil mit sehr kleinen Steuerungsdifferenzen bis herunter zu 0,2 bar gearbeitet wird, ist der maximale Druck in der Anlage wesentlich niedriger als bei der Kaskadenregelung; dadurch steigt die Energieeffizienz. Dabei können "Regellöcher" vermieden werden, bei denen die Verdichter in einem ungünstigen Lastbereich betrieben werden. Erweiterte übergeordnete Druckbandregelungen können durch die richtige lastabhängige Koordination der unterschiedlich großen Verdichter die jeweils "passenden" Verdichter auswählen und damit verhindern, dass solche Regellöcher entstehen.
Vorausschauende Wartung; Contracting
Da die sichere Druckluftversorgung eine Voraussetzung für den ungestörten Fertigungsablauf ist, darf es nicht zu unkalkulierbaren Ausfällen der Verdichter kommen. Dazu verhilft eine zustandsgebundene, vorausschauende Wartung.
Mit dem "Internet der Dinge" (Industrie 4.0) lassen sich über Sensoren zahlreiche Daten über den Zustand der Anlagen gewinnen und zentral auswerten. Aktoren können darauf bei Bedarf die erforderlichen Änderungen beim Betrieb der Anlagen vornehmen. Darüber hinaus wird der Zustand der Anlagen genutzt, um die Notwendigkeit einer zustandsgebundenen Wartung zur richtigen Zeit zu signalisieren. Voraussetzung dafür sind Datenbanken, leistungsfähige Datenleitungen und ein großer Vorrat an IP-Adressen, mit denen jedes Objekt im Internet identifizierbar ist und sich einzeln ansteuern oder abfragen lässt.
Einige Verdichterhersteller bieten für Neuanlagen geeignete digitale Steuerungseinheiten an, die über das Internet mit dem zentralen Kontrollraum der Herstellerfirma verbunden sind. Die notwendigen Daten werden dabei in Echtzeit in die auswertenden Rechnersysteme eingespeist, die ihrerseits die Zustände und Auswertungen auf Monitoren abbilden.
Bei einem entsprechend großen Datenfundus können die Betriebserfahrungen auch anderer Druckluftanlagen mitverwendet werden. So entsteht parallel zum realen Verdichter nach den speziellen Bedürfnissen der Kunden ein virtuelles Abbild der Anlage – gewissermaßen ein "digitaler Zwilling", der ständig mit den Daten der realen Maschine über Drücke, Schwingungen, Drehzahlen, Feuchtigkeitswerte, Temperaturen, Volllastzeiten, Leerlaufzeiten, Stillstandszeiten, Energieverbräuche und Auslastungen auf dem aktuellen Stand gehalten wird; auch können präzise Vorhersagen über Betriebsabläufe gemacht werden.
Darüber hinaus können von den Herstellern zusätzliche Dienstleistungen wie z.B. ein komplettes Energiemanagement offeriert und vom Kunden geordert werden. Der Hersteller kann z.B. auch die vollständige Bereitstellung von Druckluft im Rahmen unterschiedlicher Contracting-Modelle anbieten. Eine Möglichkeit hierzu besteht darin, dass der Hersteller ein genau auf die Kundenbedürfnisse angepasstes Konzept für die Druckluftversorgung erarbeitet und die Anlage installiert.
Wärmeanfall und Wärmerückgewinnung
Thermodynamische Gesichtspunkte
Wird ein ideales Gas von seinem Anfangsdruck auf den vorgesehenen Enddruck verdichtet und hierauf auf seine ursprüngliche Anfangstemperatur zurückgekühlt, so wird dem Gas dabei genauso viel Wärme entzogen, wie ihm an Verdichtungsarbeit zugeführt wurde. Der energetische Zustand des Gases ist deshalb danach genau so groß wie vor der Verdichtung. Bei einem realen Gas ist der energetische Zustand des Gases nach der Verdichtung sogar etwas geringer als vor der Verdichtung. Dagegen ist die Exergie – also die technische Arbeitsfähigkeit – eines idealen Gases wie auch eines realen Gases nach der Verdichtung wesentlich höher als vor der Verdichtung.
Dieser Sachverhalt führt z.B. dazu, dass – im Falle einer theoretisch möglichen – reversiblen isothermen Entspannung der Druckluft bei ihrer Anwendung technische Arbeit an die jeweils genutzte Maschine abgegeben wird und dabei von der Druckluft gleich viel Wärme aus der Umgebung aufgenommen wird, wie diese bei ihrer Entspannung an Arbeit abgibt. Bei der thermodynamischen Betrachtung der Vorgänge, bei der Verdichtung der Luft im Verdichter und der nachfolgenden Entspannung der Druckluft in der jeweiligen Anwendungstechnik müssen also neben den einzelnen Maschinen immer auch die entsprechenden Umgebungen in die Energiebilanz und in die Exergiebilanz einbezogen werden.
Um einen Wirkungsgrad für den Verdichtungsvorgang angeben zu können, eignet sich deshalb ein einfacher Vergleich mithilfe allein energetischer Zustände der Luft vor und nach der Verdichtung nicht. Eine Betrachtung der exergetischen Zustände vor und nach der Verdichtung, indem dabei die Verdichtung in einer idealen Maschine mit der Verdichtung in einer realen Maschine ins Verhältnis gesetzt wird, ist demgegenüber sinnvoll.
Bei der Erzeugung von Druckluft wird die verdichtete Luft in der Regel auf ungefähr dieselbe Temperatur rückgekühlt, wie sie vor der Verdichtung vorlag, bisweilen sogar darunter. Die dabei abgeführte Wärme hat deshalb etwa denselben Umfang wie die zugeführte Verdichtungsarbeit des – meist elektrisch angetriebenen – Verdichters. Diese abgeführte Wärme kann dann als eine zurückgewonnene Energie aufgefasst werden, wenn sie sich weiter nutzen lässt.
Eine Abwärmenutzung ist immer dann gut möglich, wenn sich die Wärme im Umfeld der Druckluftanlage nutzen lässt oder in ein bestehendes betriebliches Wärmeversorgungssystem eingebunden werden kann. Die Wärmenutzung gelingt umso wirkungsvoller, je besser der Zeitraum der Wärmenutzung mit dem Zeitraum des Verdichterbetriebs übereinstimmt und die Wärmenutzungsmöglichkeiten annähernd gleich groß oder größer sind als die abgeführte Wärme; dann amortisieren sich die Investitionen für die Installation einer Wärmerückgewinnungsanlage meist in wenigen Jahren.
Die vom Verdichter abgegebene Wärme ist so groß, dass sie zu einer Erwärmung der Umgebungsluft über die für den Verdichter zulässigen Betriebsbedingungen führt, wenn sie nicht abtransportiert wird.
Aus dem Energieflussbild für einen öl-eingespritzten Schraubenverdichter wird sichtbar, dass 76 Prozent der – dem Verdichter zugeführten – elektrischen Energie über das eingespritzte Öl in Form von Wärme über den Kühler abgeführt wird; weitere 15 Prozent werden als Wärme über den Nachkühler abgeführt; rund 5 Prozent gehen als Abwärme des Elektromotors an die Kühlluft. Es ist möglich, diese Wärmen zurückzugewinnen; sie sind in der Luft enthalten, die zur Wärmeabfuhr in den Aufstellungsraum des Verdichters geleitet wird und mit der Abluft als Abwärme aus dem Raum abgeführt werden muss.
Wärmerückgewinnung mit Luft als Wärmeträger
In Abb. 17 sind Möglichkeiten der Abluftführung bei Druckluftverdichtern dargestellt. Bei kleineren Verdichtern (links) wird über Raumöffnungen ein Außenluftzutritt ermöglicht, die Luft durch die Kühler des Verdichters geführt und über ein Sauggebläse wieder nach außen abgegeben. Die erwärmte Abluft kann beispielsweise zur Raumheizung von benachbarten Räumen – etwa von Lagerräumen oder Fertigungsbereichen – genutzt werden.
Bei größeren Verdichtern kann die Kühlluft über – mit den Verdichtern unmittelbar verbundenen – Lüftungsleitungen gezielt abgeführt werden. Im Winter lässt sich – wie bei Lüftungsanlagen nicht unüblich – ein Mischluftbetrieb fahren, wobei über eine Jalousieklappe die erwärmte Luft aus dem Verdichterraum mit der von außen angesaugten kalten Außenluft vermischt wird. Durch eine Klappensteuerung lässt sich die Wirksamkeit der Abluftverwendung weiter verbessern.
Wärmerückgewinnung mit Wasser als Wärmeträger
Eine Wärmerückgewinnung ist auch mit Wasser als Wärmeträger möglich: Bei einem öleingespritzten Schraubenverdichter wird dazu ein Wärmeübertrager in den Ölkreislauf eingebaut; hiermit können – gemäß dem Energieflussbild des Verdichters – bis zu etwa 76 Prozent der zur Verdichtung eingesetzten elektrischen Energie rückgewonnen werden; weitere bis zu 20 Prozent lassen sich über die Kühlluft rückgewinnen:
Das Warmwasser lässt sich zum Heizen, zur Bereitstellung von Produktionswärme oder zu Wasch- und Reinigungszwecken nutzen; dabei sind Temperaturen von bis zu 70 oC möglich.
Durch Einbau eines Wärmeübertragers in den Kühlwasserkreislauf eines wassergekühlten Verdichters kann bis zu 96 Prozent der zur Verdichtung eingesetzten elektrischen Energie über einen zusätzlichen Wasserkreislauf rückgewonnen werden:
Innerhalb der Anlage fließt das Wasser parallel durch alle Wärmeübertrager, die der ölfrei verdichtende Kompressor ohnehin benötigt. Die Wärme der ersten und zweiten Stufe wird im Druckluftnachkühler und im Ölkühler des (vom zu verdichtenden Luftstrom getrennten) Schmierölkreislaufs zurückgewonnen. Da ein Verdichter meist nur zeitweise in Betrieb ist, ist für eine – an den Wärmebedarf der Nutzer gut angepasste – Wärmeversorgung ein zusätzlicher Wärmeerzeuger oder ein ausreichend dimensionierter Wärmespeicher sinnvoll.
Druckluft-Wärme-Kraftwerk (DWKW)
In vielen Anlagen zur Druckluftproduktion wird ein Verdichter mit zugekauftem oder selbst erzeugtem Strom betrieben. Der Wärmebedarf wird oft mit einem separaten, gasbetriebenen Heizkessel gedeckt. Inzwischen wird ein "Druckluft-Wärme-Kraftwerk" (DWKW) im Markt angeboten: Ein mit Erdgas betriebener Hubkolben-Verbrennungsmotor erzeugt mechanische Leistung, die wiederum zum Antrieb eines öleingespritzten und ölgeschmierten Schraubenverdichters zur Drucklufterzeugung dient. Die Abwärme aus dem Verbrennungsgas und dem Kühlwasser des Verbrennungsmotors sowie die Abwärme aus dem Öl des Luftverdichters können zur Bereitstellung von Prozesswärme oder Heizwärme genutzt werden.
Literatur
[1] Druckluftsysteme in Industrie und Gewerbe. Ein Ratgeber zur systematischen energetischen Modernisierung. Deutsche Energie-Agentur GmbH (dena), Berlin 2012.
[2] Dehli, M.: Energieeffiziente Drucklufttechnik. GU-Berichte 40/2017, S. 22/37. Hochschule Esslingen, Esslingen 2017.
[3] Druckluftseminar-Handbuch. 1. Auflage. Kaeser Kompressoren SE, Coburg 2014.
[4] Erfahrungsaustausch für Energieberater. Kaeser Kompressoren SE, Coburg 2018.
Frage zum Artikel
