Wärmerückgewinnungskonzepte von AERZEN
Nachhaltigkeit und Effizienz sind in der Branche unverzichtbar. Sie zählen heute zweifellos zu den wichtigsten Herausforderungen für Anlagenhersteller und -betreiber. Naturgemäß erfordert die Erzeugung von Prozessluft jedoch einen relativ hohen Energieaufwand. Dabei wird eine große Menge an Wärmeenergie, die sogenannte Prozesswärme, freigesetzt. Sie entsteht sowohl im erzeugten Luftstrom, als auch unter der Schallhaube durch die Abwärme des Motors, Schalldämpfers und Kompressors. Früher blieb sie oft ungenutzt.
Als Hersteller hochleistungsfähiger Kompressoren entwickelt AERZEN seit langem innovative Lösungen, um diese Wärmeenergie sinnvoll zu nutzen. So bietet das Unternehmen Anlagenbetreibern beste Drucklufttechnologie und maßgeschneiderte Systeme zur Wärmerückgewinnung aus einer Hand.
Das Einsparpotential bei der Installation einer Wärmerückgewinnungslösung ist immens: Bis zu 85 Prozent der Wärmeenergie können problemlos für andere Betriebszwecke genutzt werden, wie Wassererwärmung, Trocknungsprozesse oder Vorerwärmung von Brennerluft. Energieverluste, beispielsweise durch Ableitung der erwärmten Luft ins Freie, werden vermieden. Wärmerückgewinnung bedeutet daher gezieltes und ressourcenschonendes Energiesparen.
Die Investitionskosten für ein Wärmerückgewinnungssystem sind verhältnismäßig gering und durch die Energieeinsparung schnell wieder ausgeglichen. Auch ältere Anlagen können ohne großen Aufwand nachgerüstet und optimiert werden. Gerne unterstützt AERZEN Sie mit individuellen Lösungen. Wärmerückgewinnung ist für verschiedenste Prozesse und Anwendungen realisierbar:
- Speisen von zentralen Heizsystemen
- Warmluftheizung
- Klärschlammtrocknung
- Warmluft für Prozessaufgaben (z. B. Trocknungsprozesse in der Produktion)
- Herstellung von Warmwasser für Dusch- und Waschräume
- Brauchwassererwärmung für Kantinen
- Aufbau von Warmschleusen
- Schwimmbeckenaufheizung
Das Ziel eines jeden Anlagenplaners ist es, die Kosten zu senken, indem die in einen Prozess eingebrachte Energie so effizient wie möglich genutzt wird. Im Bereich der Druckluftproduktion stellt die Wärmerückgewinnung eine unkomplizierte Möglichkeit dar, dieser Herausforderung zu begegnen. Um zu verstehen, warum beim Betrieb eines Kompressors Wärmeenergie entsteht und wie diese genutzt werden kann, hilft ein Blick auf das Wirkprinzip eines Druckluftkompressors:
Funktionsprinzip von Kompressoren: Wärmequellen und Möglichkeiten der Wärmerückgewinnung
Die große Menge an Abwärme, die bei der Produktion von Druckluft anfällt, sagt nichts über die Effizienz der Maschinen aus. Sie ist ein Nebenprodukt, das zwangsläufig bei der Prozesslufterzeugung entsteht. Die gewaltigen Energiepotenziale die darin stecken, wurden lange Zeit von Anlagenbetreibern verkannt. Grundsätzlich geschieht die Erwärmung auf zweierlei Arten: zum einen durch die Verdichtung des Mediums durch das Aggregat und zum anderen durch die Abwärme (Kühlluft) von Motor, Stufe und Schalldämpfer sowie die Abluft des Ölkühlers.
Kompression
Maschinen wie Schraubenverdichter oder Drehkolbengebläse komprimieren die angesaugte Umgebungsluft mittels Schrauben oder Drehkolben. Diese Luftverdichtung ist ein thermodynamischer Prozess, bei dem sich das angesaugte Medium, zum Beispiel Luft oder Gas, erhitzt. Physikalisch betrachtet wird hierbei die elektrische Energie in Wärmeenergie umgewandelt. Beim Einsatz von Verdichtern kann das Prozessgas Temperaturen von bis zu 280 °C erreichen .
Für die Wärmerückgewinnung aus der Prozessluft ist der Einsatz von Wärmetauschern sinnvoll: Durch die Integration eines Wärmetauschers in den Luftstrom kann beispielsweise Wasser, das den Wärmetauscher durchströmt, auf eine voreingestellte Temperatur erhitzt werden. Gleichzeitig wird dem Luftstrom Wärme entzogen. Das erhitzte Wasser kann als Prozess- oder Brauchwasser weiterverwendet oder aber in das zentrale Heizungssystem eingespeist werden. AERZEN bietet hierfür präzise ausgelegte Wärmetauscher an, die bei minimalem Druckverlust die maximale Menge an übertragbarer Wärme umsetzen.
Kühlluft (Wärmestrahlung)
Weitere Wärmeenergie entsteht unter der Schallhaube des Aggregates durch Abstrahlung des Motors, des Ölkühlers, der Verdichter- oder Drehkolbenstufe, der Rohrleitungen und des Schalldämpfers. Auch diese stark erwärmte Kühlluft kann sinnvoll genutzt werden: Im Aggregat integrierte Abluftkanäle können die Wärme bündeln und als Heizungsluft in angrenzende Räume oder Werkhallen transportieren. Ein temperaturgesteuerter Auslass kann den Luftstrom regulieren, so dass eine gleichmäßige Umgebungstemperatur erreicht wird. Ist beispielsweise im Sommer keine Heizung erforderlich, wird die überschüssige warme Luft ins Freie geleitet.
Wärmerückgewinnung bei der Abwasseraufbereitung
Die Abwasseraufbereitung ist ein Kernbereich der Aerzener Maschinenfabrik. Das Familienunternehmen ist ein global Player auf diesem Gebiet und entwickelt kontinuierlich ressourcensparende und umweltschonende Gesamtlösungen für Kunden auf der ganzen Welt. Dazu gehören neben der Auswahl einer „passgenauen“, optimalen Maschinentechnologie auch Konzepte zur Wärmerückgewinnung. Die Aggregate werden in Kläranlagen meist für die Belüftung der Belebungsbecken eingesetzt. Dabei erzeugen die AERZENER Drehkolbengebläse, Turbogebläse und Verdichter als Einzelaggregat oder im Verbund einen Luftstrom mit einem Druck von ca. 1 bar. Dieser wird in das Belebungsbecken (die sogenannte Biologie der Anlage) gepumpt. Der in der Luft enthaltene Sauerstoff spielt in einem wichtigen Schritt des Prozesses eine entscheidende Rolle: die biologische Abwasserreinigung.
Gemessen an den Gesamtenergiekosten einer Kläranlage macht die Generierung des Luftstromes naturgemäß den größten Anteil aus. Das Einsparpotenzial in diesem Bereich ist daher besonders hoch. Es ergeben sich ungeheure Potenziale: Schon ein Kompressor mit einer Leistung von 22 kW kann den Wärmebedarf eines Einfamilienhauses decken.
Zahlreiche Erfolgsgeschichten der Aerzener Maschinenfabrik belegen anschaulich, wie die Umsetzung von Wärmerückgewinnungslösungen und die Auswahl der jeweils optimalen Maschinentechnologie die Energiebilanz einer Kläranlage deutlich verbessern kann. Einige Beispiele finden Sie hier:
Auch in der Kläranlage Essen-Kupferdreh wurde in Zusammenarbeit mit AERZEN eine höchsteffiziente Wärmerückgewinnung innerhalb der Anlage realisiert. Die Kläranlage nutzt vier Drehkolbengebläse für die Luftversorgung des Belebungsbeckens. Durch den Einbau eines Rohrbündelwärmetauschers wird die Abwärme der Gebläse sinnvoll und effizient genutzt: Die umgewandelte Energie des Bauteils versorgt nun die Heizung und den Pufferspeicher für Warmwasser mit Wärmeenergie. Die daraus resultierenden Einsparungen sind immens: Allein durch die Wärmerückgewinnung spart das Werk in Essen-Kupferdreh mehr als 30.000 Euro pro Jahr.
In der Kläranlage Wertach in Bayern konnte durch die Verwendung eines Wärmetauschers auf den Einbau eines neuen Brenners für die Erwärmung des Kesselwassers verzichtet werden. In Wertach werden zwei Delta Blower mit fester Drehzahl für die Grundauslastung eingesetzt. Bei höheren Bedarfen, z.B. während der Saison, bei vielen Wander- oder Wintersportgästen, wird ein drittes Gebläse mit variabler Drehzahl hinzugeschaltet.
Die 68 °C warme Luft, die durch den Verdichtungsprozess entsteht, wird durch einen Luft-Wasser-Plattenwärmetauscher auf unter 30 °C abgekühlt. Dadurch kann das entstehende Delta von fast 40 °C für die Speisung des Kesselwassers der Heizung verwendet werden. Der in das System integrierte Wärmetauscher ist mit strömungsoptimierten Profilen ausgestattet und verursacht nahezu keinen Druckverlust im Prozessluftstrom.
Ist keine Heizung erforderlich (z.B. im Sommer) wird auf einfache Weise umgeschaltet: Durch eine mechanische Klappe in der Rohrleitung kann die Luft statt durch den Wärmetauscher anteilig oder vollständig direkt in das Belebungsbecken geleitet werden – auf diese Weise ist eine flexible und bedarfsgerechte Regelung und Wärmerückgewinnung jederzeit möglich. In Wertach konnten durch Wärmerückgewinnung Heizöl-Einsparungen von ca. 1.850 Litern im Jahr erzielt werden. Weitere Informationen zu diesem Thema finden Sie in dem Artikel „Effizientes Heizen mit Abwärme“ in unserem Kundenmagazin.
Aufgrund von schärferen Umweltauflagen wurden in der bereits in den 60er Jahren erbauten Kläranlage Filderstadt-Bonlanden in Baden-Württemberg im Rahmen eines Modernisierungs- und Sanierungsprojektes in Zusammenarbeit mit AERZEN vier Delta Hybrid Drehkolbenverdichter mit einem Wärmerückgewinnungssystem ausgestattet.
Die Kombination der Aggregate liefert 100prozentig öl- und absorptionsmittelfreie Druckluft für die Belüftung der Belebungsbecken auf höchst energieeffiziente Weise. Öl- und Absorptionsmittelfreiheit bedeutet nicht nur Einsparungen im Bereich Wartung und Service, sondern auch Prozesssicherheit für die Anlage. Die durch die Maschinen aufgewärmte Umgebungsluft wird nach der Umsetzung der Modernisierungsmaßnahme über eine Absauganlage weitergeleitet und zur Beheizung von weiteren Technikräumen genutzt.
Die größten Einsparungen wurden jedoch durch den Einbau eines Rohrbündelwärmetauschers in die Hauptleitung des Systems erzielt. In dem Wärmetauscher wird dem Prozessluftstrom Wärme entzogen und für die Warmwasserbereitung genutzt. Dadurch können die gesamten Warmwasserkosten gespart werden. Mehr über die Wärmerückgewinnung in Filderstadt-Bonlanden erfahren Sie in unserem Kundenmagazin unter dem Titel „Jedes Kilowatt optimal genutzt“.
Wärmerückgewinnung bei der pneumatischen Förderung
Bei der pneumatischen Förderung geht es um den Transport von Schüttgütern wie Mehl, Pulver, Sand oder Zement mit Hilfe von Luft. Sie wird in vielen Industriezweigen eingesetzt, z. B. in der Lebensmittelverarbeitung, bei Schüttgütern, Chemikalien und Werkstoffen. Zur Erzeugung des dazu benötigten Luftstromes werden häufig AERZEN Verdichter, Gebläse und Drehkolbenverdichter eingesetzt. Hierbei können sehr hohe Luftaustrittstemperaturen erreicht werden.
Die Umgebungsluft, die in der Regel eine Temperatur von ca. 20 °C hat, wird angesaugt und kann durch den Verdichtungsprozess, z. B. bei einer Anwendung mit Schraubenkompressoren, Temperaturen von bis zu 280 °C erreichen. Um das zu fördernde Schüttgut vor einer Schädigung durch die hohen Temperaturen zu bewahren, muss die Prozessluft oftmals wieder heruntergekühlt werden. Mithilfe eines Wärmetauschers kann der verdichteten Luft diese Wärme entzogen und für Heizzwecke, Warmwasserbereitung oder Prozesswärme genutzt werden. Je nach Ausführung beträgt der Druckverlust durch den Einbau eines Wärmetauschers 1 bis 3 Prozent bezogen auf den absoluten Ansaugdruck im Nachkühler. Die dadurch erhöhte Antriebsleistung des Motors steht damit in keinem Verhältnis zu der Energieeinsparung, die durch die Wärmetauscher erzielt wird.
Wann lohnt sich Wärmerückgewinnung?
Bevor man über die Anschaffung einer Wärmerückgewinnungslösung entscheidet, sollten einige Faktoren berücksichtigt werden.
Zunächst sollten die baulichen Gegebenheiten überprüft werden. So sind die räumliche Nähe der Abwärmequelle und der Wärmesenke wichtig. Liegen diese zu weit auseinander, sind Energieverluste durch Transport und erhöhte Kosten für Leitungen einzuplanen. Ist der Aufwand für den Transport oder die Speicherung der Wärme groß, ist grundsätzlich auch mit höheren Investitionskosten zu rechnen. Außerdem muss zwischen der Abwärmequelle und der Wärmesenke der Anlage ein Δ T von mindestens 5 bis 10 k bestehen, damit sich eine Wärmerückgewinnungsanlage lohnt.
Generell lässt sich sagen, dass die Wärmerückgewinnung vor allem bei großen Aggregaten und kontinuierlich laufenden Produktionsprozessen von Vorteil ist. Aber auch bei einer geringen Abwärme und gleichzeitig hoher Auslastung kann sich ein Wärmerückgewinnungssystem lohnen. Im Prinzip lohnt sich Wärmerückgewinnung umso mehr, je kontinuierlicher die Aggregate in Betrieb sind.
Zusammenfassung
Der hohe Energiebedarf, der bei der Erzeugung von Druckluft eingesetzt wird, lässt sich zurückgewinnen und kann vielfältig genutzt werden. Mit den AERZEN Technologien und dem Know-How können neue Projekte in der Abwasseraufbereitung oder pneumatischen Förderung wärmeenergetisch so konzipiert werden, dass die Wärmeenergie zur Raum-, Hallenheizung oder Heißwassererzeugung (Prozess oder auch Nutzwasser) oder für Produktionsschritte genutzt wird. Die Einsatzmöglichkeiten sind vielfältig.
Auch bestehende Anlagen können mit einfachen Mitteln modernisiert und effizienter gestaltet werden. In diesem Bereich bietet AERZEN seinen Kunden ein breites Portfolio an Dienstleistungen an, zum Beispiel einen 24-Stunden-Telefonauskunftsdienst, eine Maschinendiagnose und das AERaudit, bei dem Servicemitarbeiter einen Plan zur Modernisierung einer Anlage entwickeln.
Und mit Hilfe des AERZEN Raumbelüftungsrechners können Ingenieure und Betreiber von Kläranlagen selbst einen passenden Wärmetauscher für ihre Anlage finden.
