Wärmerückgewinnung

Energiesparen leicht gemacht!

04.04.2016

Hohe Energiekosten und fortschreitendes Umweltbewusstsein zwingen Unternehmen, ihre Prozesse zu optimieren und Ressourcen sparsamer und effizienter zu nutzen. Der Einsatz von Wärmerückgewinnung durch Verwendung der Prozesswärme wird unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten daher immer attraktiver. AERZEN bietet nunmehr innovative Lösungskonzepte, um die Energieaufwendungen nachhaltig zu senken. Einsparungen von über 90 % sind ohne großen Aufwand möglich!

Schwindende Ressourcen fossiler Energieträger und stetig anwachsender Energiebedarf erfordern nicht nur steigende Investitionen in Technologien erneuerbarer Energieträger, wie Wind, Sonne, Erdwärme und biologisch nachwachsende Ressourcen, sie bedingen das Wachstum zukünftig strategischer Märkte. Insbesondere bei der Prozesslufterzeugung ist eine Energieeinsparung sehr sinnvoll, zumal der größte Teil der Lebenszykluskosten durch den Verbrauch an elektrischer Energie geprägt ist. Aus thermodynamischen Gründen fällt bei Druckluftanwendungen Wärme an (elektrische Energie von der Antriebsleistung wird in Wärme umgewandelt). Diese Wärme tritt zum einen in Form von Abwärme von Motor, Verdichter und Schalldämpfer auf und zum anderen finden wir sie in Form der Temperaturerhöhung des Prozessgases. In vielen Fällen geht diese Wärme allerdings ungenutzt verloren.

Grundsätzlich gibt es zwei Möglichkeiten der Wärmerückgewinnung (WRG) beim Betreiben von Gebläsen, Drehkolben- und Schraubenverdichtern oder Turbogebläsen:

Kühlluft zur Raumbeheizung

Die Kühlluft für die Stufe, den Schalldämpfer und das Rohrleitungssystem unter der Schallhaube sowie die Abluft vom Ölkühler kann sinnvoll zur Raumerwärmung genutzt werden. Abluftkanäle am Aggregat bündeln die Abwärme (30°C – 60°C) und transportieren sie als Heizungsluft gezielt an die Orte, die zu beheizen sind. Durch einen temperaturgesteuerten Auslass kann so eine geregelte Raumtemperatur erzielt werden. Abhängig von der Heizperiode wird überflüssige Luft über den Abluftkanal ins Freie gelassen.

Einsatz von Wärmetauschern

Ein weiterer möglicher Weg zur Wärmerückgewinnung ist Nutzung der im verdichteten Medium gespeicherte Energie über einen Wärmetauscher. Der Vorteil besteht darin, dass die Wärme dann von dem Ort entnommen wird, an dem Sie auch erzeugt wird - Energieverluste also lediglich durch die zurückgelegte Strecke zum Endverbraucher entstehen. Das erwärmte Medium durchläuft bei diesem Funktionsprinzip einen Wärmetauscher, der das durchströmende Wasser auf Zieltemperatur erwärmt (gilt nur für Lösungen in der Klärwerkstechnologie) oder der das Gas auf unter 50°C herunterkühlt (gilt nur für die Pneumatik), beides natürlich bei Auslegung mit optimiertem Wärmeübertrag. Die erhitzte Wassermenge und Temperatur ist folglich abhängig von der Durchlaufgeschwindigkeit des Mediums im Wärmetauscher, der Rohrbündellänge, der Oberfläche der Rohre, der eingesetzten Materialien und von der Größe des Wärmetauschers. Abhängig von der Ausführung des Wärmetauscher kann des erhitze Wasser als Prozess- oder Brauchwasser Verwendung finden. Zu einem großen Teil wird das Heißwasser auch bei dieser Art der WRG in das zentrale Heizungssystem eingespeist. Über 85 % der Wärmeenergie kann auf diesem Weg zurückgewonnen werden.

Die Erzeugung von Prozessluft kann auf energieeffiziente und kostensparende Art erfolgen. Das Einsparungspotenzial wird allerdings selten von Anlagenbetreiber als solches erkannt. Mit vergleichsweise geringen Investitionskosten können Aufwendungen für Installation bzw. Integration in den Prozessablauf des Betriebes bereits nach wenigen Monaten amortisiert werden. Als Anwendungsspezialist bietet AERZEN punktgenaue Auslegung der Wärmetauscher nach max. übertragbarer Wärmemenge und bei geringst-möglichem Druckverlust. Auch ältere Druckluftanlagen können energetisch optimiert und nachgerüstet werden. Ein weiterer Vorteil. AERZEN bietet alles aus einer Hand.

Wärmerückgewinnung mit Technologien von AERZEN

Steigende Energiekosten, strenge Umweltauflagen und knapper werdende Ressourcen fordern von der Industrie innovative Lösungen. Die für industrielle Prozesse erzeugte Energie soll möglichst nachhaltig und ressourcenschonend genutzt werden. Diese Anforderung hat AERZEN schon seit langem erkannt und umgesetzt. In vielen Anwendungen wird die Abwärme, die beim Betrieb von Gebläsen, Verdichtern und Turboverdichtern entsteht, bereits zurückgewonnen und weiterverwendet. Für die Wärmerückgewinnung gibt es vielfältige Möglichkeiten. Wärmetauscher können die durch Luftverdichtung entstandene Wärmeenergie umwandeln und für verschiedenste Anwendungen, wie Wassererwärmung, Trocknungsprozesse oder Vorerwärmung von Brennerluft nutzen. Eine weitere, ganz einfache Möglichkeit der Wärmerückgewinnung ist die Weiterleitung der erwärmten Luft. Mit Hilfe eines Kühlstromes, der den Kompressor kühlt, und eines Leitungssystems kann die im Maschinenraum erzeugte warme Luft über isolierte Abluftkanäle abtransportiert und für die Beheizung von weiteren Räumen verwendet werden.

So wird es möglich, Heizkosten für Heißwassererzeugung, Raum- oder Hallenheizung sowie Erwärmung von Brauch- oder Prozesswasser zu sparen. Durch den Abtransport bzw. die Weiterverwendung der entstandenen Wärme mit Hilfe von Abluftkanälen oder Wärmetauschern, wird darüber hinaus vermieden, dass sich der Maschinenraum unnötig aufheizt. Effizienzeinbußen der Maschinen durch hohe Umgebungstemperaturen werden auf diese Weise verhindert. Der Einbau eines Wärmerückgewinnungssystems trägt damit doppelt zu nachhaltigen, effizienten und ressourcenschonenden Applikationen mit hohen Energieeinsparungen bei. Die Veränderungen, die dafür nötig sind, sind vergleichsweise einfach und leicht umzusetzen

Funktionsprinzip von Kompressoren

AERZEN Maschinen, wie Schraubenverdichter und Drehkolbenverdichter komprimieren die angesaugte Umgebungsluft mittels Schrauben. Bei diesem thermodynamischen Prozess wird ein großer Teil der aufgewendeten elektrischen Energie in Wärmeenergie umgewandelt. Zum einen kann die bei der Verdichtung gewonnene Wärmeenergie in der Luft oder im Gas genutzt werden und zum anderen wird die Luft unterhalb der Schallhaube einer Maschine durch Abstrahlung vom Motor, der Verdichterstufe, der Rohrleitungen oder des Schalldämpfers erwärmt. Die entstehende Abwärme sagt nichts über die Effizienz der Maschine aus. In der Vergangenheit ging diese Wärme oft verloren und wurde als Abwärme ins Freie geleitet. Die Potentiale, die sich aus dieser großen Energiemenge ergeben, sind gewaltig: 85% der Energie, die sonst ungenutzt verpuffen würde, kann auf einfache Art und Weise für Wärmerückgewinnung eingesetzt werden. AERZEN als Marktführer auf dem Gebiet der Kompressortechnik entwickelt seit langem energieeffiziente Lösungen für die Nutzung dieser Abwärme für seine Kunden. AERZEN Maschinen werden in verschiedensten Anwendungen verbaut. Zwei wesentliche Einsatzgebiete sind die pneumatische Förderung und die Abwasseraufbereitung.

Wärmerückgewinnung im Bereich der pneumatischen Förderung

Bei der pneumatischen Förderung z.B. in der Lebensmittelindustrie, Schüttgutindustrie, chemischen Industrie oder Werkstoffindustrie geht es darum, Schüttgüter wie Mehl, Stäube, Sand oder Zement mit Hilfe von Luft zu transportieren. Zur Erzeugung des dazu benötigten Luftstromes werden häufig AERZEN Verdichter, Gebläse und Drehkolbenverdichter eingesetzt. Hierbei können sehr hohe Luftaustrittstemperaturen erreicht werden. Die Umgebungsluft mit einer Temperatur von ca. 20°C wird angesaugt und kann durch den Verdichtungsprozess- beispielsweise in einer Applikation mit Schraubenverdichtern - auf eine Temperatur von bis zu 280°C gebracht werden. Für die Förderung von Schüttgütern muss sie oftmals wieder heruntergekühlt werden, weil das zu fördernde Gut ansonsten durch die hohen Temperaturen geschädigt werden kann. Mithilfe eines Wärmetauschers kann der verdichteten Luft diese Wärme entzogen und für Heizzwecke, Warmwasserbereitung oder Prozesswärme genutzt werden. Der Druckverlust durch die Installation eines Wärmetauschers beträgt je nach Auslegung 1-3% bezogen auf den absoluten Eintrittsdruck in den Nachkühler. Die dadurch erhöhte Antriebsleistung des Motors steht damit in keinem Verhältnis zu der eingesparten Energie, die durch die Wärmetauscher erzielt wird.

Wärmerückgewinnung im Bereich Abwasseraufbereitung

AERZEN ist Spezialist auf dem Gebiet der Abwasseraufbereitung. Die AERZEN Maschinen werden häufig in Kläranlagen für die Generierung des Druckluftstromes, der in Belebungsbecken für die biologische Abwasserreinigung sorgt, eingesetzt. Die Erzeugung dieses Luftstromes erfordert naturgemäß einen sehr großen Anteil der Gesamtenergiekosten der Anlage. Kläranlagen gehören daher generell zu den größten Stromverbrauchern in den Kommunen und Gemeinden. Grund genug für AERZEN, energieeffiziente und umweltschonende Lösungen für seine Kunden zu entwickeln. In Zeiten steigender Umweltauflagen und Anforderungen an Energieeffizienz ist es für AERZEN selbstverständlich, auf die ressourcensparende Technologie der Wärmerückgewinnung zu setzen um immer effizientere Lösungen für seine Kunden anzubieten. Beim Einsatz der richtigen Maschinentechnologie ergeben sich vielfältige Möglichkeiten und ein ungeheures Potential: Schon ein Kompressor mit einer Leistung von 22 kW kann den Wärmebedarf eines Einfamilienhauses decken. AERZEN kann mit vielen Beispielen einer erfolgreichen Umsetzung der Wärmerückgewinnung aufwarten:

Beispiel Kläranlage Filderstadt-Bonlanden in Baden-Württemberg

In Rahmen eines Modernisierungs- und Sanierungsprojektes aufgrund von schärferen Umweltauflagen, wurden in der bereits in den 60er Jahren erbauten Kläranlage vier Delta Hybrid Drehkolbenverdichter mit einem Wärmerückgewinnungssystem ausgestattet. Der Aggregate-Verbund liefert auf eine sehr energieeffiziente Art und Weise 100% öl- und absorptionsfreie Druckluft für die Belüftung des Belebungsbeckens. Öl- und Absorptionsmittelfreiheit bedeuten nicht nur Einsparungen im Bereich Wartung und Service, sondern auch Prozesssicherheit für die Anlage. Die durch die Maschinen aufgewärmte Umgebungsluft wird durch eine Absauganlage zur Beheizung von weiteren Technikräumen genutzt. Die wesentliche Einsparung erzielt man aber über die Installation eines Rohrbündelwärmetauschers in die Hauptleitung des Systems. In dem Wärmetauscher wird dem Prozessluftstrom Wärme entzogen und für die Warmwasserbereitung genutzt.

Beispiel Kläranlage Essen-Kupferdreh

Auch in der Kläranlage Essen-Kupferdreh wurde mit AERZEN als Projektpartner eine höchst effiziente Wärmerückgewinnung innerhalb der Anlage durch einen Rohrbündelwärmetauscher erreicht. Die Kläranlage nutzt vier Drehkolbengebläse für die Luftversorgung des Belebungsbeckens. Der neue Wärmetauscher bringt in dieser Applikation einen signifikanten Nutzen. Der eingebaute Rohrbündelwärmetauscher versorgt die Heizung und den Pufferspeicher für Warmwasser mit Wärmeenergie. Insgesamt können mit der Wärmerückgewinnung in Essen-Kupferdreh jährlich mehr als 30.000 Euro gespart werden.

Beispiel Kläranlage Wertach in Bayern (Allgäu)

In der Kläranlage Wertach in Bayern konnte auf den Einbau eines neuen Brenners verzichtet werden. In Wertach werden zwei Delta Blower mit fester Drehzahl für die Grundauslastung eingesetzt. Bei höheren Bedarfen, z.B. bei vielen Wander- oder Wintersportgästen, wird ein drittes Gebläse mit variabler Drehzahl hinzugeschaltet.
Die durch den Verdichtungsprozess entstehende 68°C warme Luft wird mittels eines Luft-Wasser-Plattenwärmetauschers auf unter 30°C abgekühlt. Dadurch kann das entstehende Delta von fast 40°C für die Speisung des Kesselwassers der Heizung verwendet werden. Der Druckverlust der Prozessluft im Wärmetauscher ist sehr gering. 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 direkt in das Belebungsbecken geleitet werden - auf diese Weise ist immer eine bedarfsgerechte Regelung und Wärmerückgewinnung möglich. Durch Wärmerückgewinnung konnten hier Heizöl-Einsparungen von ca. 1.850 Litern im Jahr erreicht werden.

Wann lohnt sich Wärmerückgewinnung?

Bevor man über die Anschaffung einer Wärmerückgewinnung entscheidet, sollten einige Faktoren in Betracht gezogen werden.
So müssen beispielsweise die baulichen Gegebenheiten beachtet werden: die räumliche Nähe der Abwärmequelle und der Wärmesenke ist wichtig. Liegen diese zu weit auseinander, sind Transportverluste und erhöhte Kosten für Leitungen einzuplanen. Ist der Aufwand für Speicherung und Transport der Wärme groß, ist auch mit höheren Investitionskosten zu rechnen.

Damit sich die Installation einer Wärmerückgewinnung lohnt, sollte darüber hinaus in der Anlage zwischen der Abwärmequelle und Wärmesenke ein Δ T von mindestens 5-10 k bestehen.

Grundsätzlich kann man sagen, dass der Einsatz von Wärmerückgewinnung besonders für größere Aggregate und kontinuierlich ablaufende Produktionsprozesse sinnvoll ist. Aber auch bei einer geringen Abwärme und gleichzeitig hoher Auslastung kann ein Wärmerückgewinnungssystem sich lohnen. Im Prinzip lohnt sich Wärmerückgewinnung umso mehr, je kontinuierlicher die Aggregate in Betrieb sind.

Resumeé:
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 Beispiele für Einsatzmöglichkeiten sind vielfältig:

Speisen von zentralen Heizsystemen
Warmluftheizung
Klärschlammtrocknung
Warmluft für Prozessaufgaben (z.B. Trocknungsprozesse in der Produktion)
Herstellung von Warmwasser für Dusch- und Waschräume
Nutzwassererwärmung für Kantinen
Aufbau von Warmschleusen
Vorerwärmung von Brennerluft
Schwimmbeckenaufheizung

Auch bestehende Anlagen können mit einfachen Mitteln modernisiert und effizienter gestaltet werden. AERZEN bietet seinen Kunden in diesem Bereich eine große Service-Palette, z.B. einen telefonischen 24-Stunden-Info-Service, eine Maschinendiagnose oder das AERaudit, bei dem Servicemitarbeiter einen Plan für die Modernisierung einer Anlage ausarbeiten.
Mit Hilfe des AERZEN Raumbelüftungsrechners können Techniker und Kläranlagenbesitzer auch selber den passend ausgelegten Wärmetauscher für Ihre Anlage finden.