Wärmeenergie aus der Drucklufterzeugung zurückgewinnen
Bis zu 96 % der Abwärme von Kompressoren lassen sich nutzen – für Warmwasser, Raumwärme oder Prozesse. Mit der richtigen Planung kann sich die Wärmerückgewinnung bereits nach einem Jahr lohnen – das spart Energie und senkt den CO2-Fußabdruck.
Über Kanäle wird die warme Luft in benachbarte Räume geleitet.(Bild: Kaeser Kompressoren)
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Die gesamten 100 % der einem Kompressor zugeführten Antriebsenergie werden in Wärme umgewandelt. Um diese Energie möglichst umfassend zurückzugewinnen und weiter zu nutzen, eignen sich luft- und fluidgekühlte Schraubenkompressoren. Bei ihnen finden sich etwa 76 % der eingesetzten Energie als Wärme im Kühlfluid und werden diesem im Fluidkühler entzogen. Weitere 15 % dieser Energie können als Wärme über den Druckluftnachkühler zurückgewonnen werden. Bis zu 5 % gibt der Elektromotor an Wärme ab. Vollgekapselte Schraubenkompressoren ermöglichen es sogar, selbst diesen Energieanteil mit gezielter Kühlung zurückzugewinnen. Damit stehen bis zu 96 % der ursprünglich zugeführten Antriebsenergie zur Zweitnutzung bereit. Nur etwa 2 % gehen durch Wärmestrahlung verloren und weitere 2 % verbleiben als Wärme in der Druckluft.
Vorhandene Energiequelle nutzen
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Natürlich kann diese Wärme einfach abgeleitet werden – allerdings gibt es noch weitere Möglichkeiten, diese ohnehin vorhandene Energiequelle zu verwenden. Am einfachsten und effizientesten ist es, die vom Kompressor erwärmte Kühlluft direkt zu nutzen, zum Beispiel als Heizluft für angrenzende Räume. Dabei leitet ein Luftkanalsystem die Warmluft aus der Druckluftstation in benachbarte Lager oder Werkstätten, anstatt sie nach draußen abzuführen. Besteht kein Heizluftbedarf, wird die erwärmte Abluft durch das Umstellen einer Schwenkklappe oder Jalousie ins Freie geleitet. Eine thermostatisch geregelte Jalousiesteuerung erlaubt es, die Warmluft so genau zu dosieren, dass konstante Temperaturen erreicht werden.
Neben der Voll- oder Zusatzheizung für Betriebsräume lässt sich die warme Abluft des Kompressors beispielsweise einsetzen, um Trocknungsprozesse zu unterstützen, Warmluftschleusen aufzubauen oder Brennerluft von Heizanlagen vorzuwärmen. Oft amortisieren sich die entsprechenden Investitionen schon innerhalb eines Jahres.
Natürlich lässt sich die Kompressorabwärme auch in vorhandene Warmwasserheizsysteme und Brauchwasseranlagen einspeisen. Dieses ist in mehreren Stufen möglich. Je nach vorgesehener Speicherkapazität können Wassertemperaturen von 70 °C und gegebenenfalls auch höher erzeugt werden. Am kostengünstigsten geschieht dies mit einem Plattenwärmetauscher, der in den Kompressor integriert ist – dieser wird an den Kühlfluid-Kreislauf des Kompressors angeschlossen und überträgt die Energie vom erwärmten Kühlfluid auf das zu erwärmende Wasser.
Je nachdem, ob das Warmwasser bei sehr empfindlichen Produktions- und Reinigungsprozessen, als Dusch- und Waschwasser oder für Heizzwecke verwendet werden soll, kommen spezielle Sicherheitswärmetauscher oder übliche Plattenwärmetauscher zum Einsatz. So sind ohne zusätzlichen Energieaufwand etwa 70 bis 80 % der installierten Kompressorleistung wärmetechnisch nutzbar. Diese Variante der Wärmerückgewinnung ist auch mit primär wassergekühlten Schraubenkompressoren möglich. Generell macht der Einsatz von Methoden zur Wärmerückgewinnung Sinn, wenn die für die Drucklufterzeugung benötigten Kompressoren eine Leistung von mindestens 5,5 kW erbringen.
Nahezu die gesamte Energie, die zur Drucklufterzeugung aufgewendet wird, kann zur Wärmerückgewinnung genutzt werden.(Bild: Kaeser Kompressoren)
Den wirklichen Bedarf ermitteln
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Vor der Installation einer Druckluftanlage empfiehlt sich, ein sogenanntes Druckluftaudit durchzuführen, denn die wenigsten Betreiber kennen ihren genauen Druckluftbedarf. Bei diesem Audit, das mittels Analysewerkzeugen wie der sogenannten Analyse der Druckluftauslastung/Kaeser-Energiespar-System-Service (ADA/KESS) schnell und problemlos durchgeführt werden kann, werden die genauen Bedarfsdaten eines Projekts exakt ermittelt.
Das webbasierte System transportiert nicht nur die Mess-, sondern auch die Systemdaten der auditierten Station und ist in der Lage, innerhalb kurzer Zeit dem Betreiber einen Bericht für eine erste Information zur Verfügung zu stellen. Die Daten können dann zum Beispiel in das KESS-System übernommen werden. Damit werden Planungsschritte für den Betreiber der Druckluftstation ermittelt, sowie die Investitionskosten und die möglichen Energieeinsparungen. Für den Fall einer komplett neuen Installation werden von vornherein optimale Lösungen angeboten. Unabhängige Vergleiche von verschiedenen Systemvarianten sind dabei ohne Weiteres möglich, um dann die wirtschaftlichste aussuchen zu können. Im Fall der Haustechnik empfiehlt es sich, gleichzeitig mit diesem Druckluftaudit auch ein Wärmeaudit durchzuführen, damit parallel zum Luftverbrauch auch die Entwicklung des Wärmehaushalts ermittelt werden kann.
Dabei sollten neben den charakteristischen Daten für Druckluft, wie Menge, Druck und benötigte Luftqualität, auch die Daten für die Wärme, zum Beispiel Temperaturvorlauf und -rücklauf, abgefragt werden. Stehen diese fest, lässt sich ermitteln, wie viel Prozent der Kompressorenabwärme in den normalen Wärmebedarf des Projekts abgenommen werden kann. Daraus lässt sich errechnen, wie groß die Speicher sein müssen und wie hoch die Temperaturniveaus sind. Im besten Fall können 96 % eingesetzt werden.
Beim weiteren Planen oder Verbessern der Druckluftstation gibt es einige Punkte zu beachten. So sollten Kompressoren und Heizung sich nicht im gleichen Raum befinden, da sie für eine optimale Nutzung unterschiedliche Anforderungen an das Raumklima stellen und der Kompressor keine gefährlichen Beimengungen ansaugen darf. Der Raum für die Kompressoren sollte gut belüftet sein, der Heizungsraum jedoch nicht. Ideal sind zwei voneinander getrennte Räume, die aber nebeneinander angeordnet sind, um den Weg zwischen Kompressoren und Heizung so kurz wie möglich zu halten. Auch wenn die beiden Anlagen getrennt voneinander platziert werden, lässt sich die Wärme der Kompressoren durchaus einsetzen, um die Brenneransaugluft der Heizung zu erwärmen.
Da in den seltensten Fällen die Menge der anfallenden Wärme dem Wärmeverbrauch entspricht, ist es ebenfalls wichtig, für ausreichend große Wärmespeichermöglichkeiten zu sorgen. Also große Behälter, damit die optimale Versorgung auch dann möglich ist, wenn Erzeugung und Verbrauch temporär nicht gleich groß ausfallen – ähnlich wie bei einem Haus, das mit einer Solarthermie ausgerüstet ist. Auch dort ist die Installation eines Speichers notwendig, da die Warmwasser-Nutzung auch dann stattfindet, wenn die Sonne nicht scheint.
Mit der erwärmten Kühlluft des Kompressors lassen sich benachbarte Räume über Lüftungskanäle beheizen.(Bild: Kaeser Kompressoren)
Luft- oder wassergekühlte Kompressoren?
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Steht die Auslegung fest, gilt es, die richtigen Kompressoren zu wählen. Generell gibt es Kompressoren mit zwei unterschiedlichen Kühlverfahren: Luftkühlung und Wasserkühlung. Bei der ersten Variante leiten, wie beschrieben, Luftkanäle mit thermostatisch gesteuerten Klappen die warme Abluft von den Kompressoren zum Beispiel zum Heizen direkt in benachbarte Betriebsräume. Um den Wärmeverlust dieser Abluft zu verringern, sollte ihr Weg vom Kompressor zum Einsatzort nicht zu weit sein.
Heute stehen Schraubenkompressoren mit bis zu 315 kW luftgekühlt zur Verfügung. Auch wenn sie nicht ganzjährig genutzt werden kann, lohnt sich diese Art der Wärmerückgewinnung: Die Investition für die Wärmerückgewinnung mit Warmluftführung ist relativ niedrig und amortisiert sich in der Regel schon innerhalb eines Jahres. Anlagen, die zusätzlich mit Wasserwärmerückgewinnung ausgestattet sind, können ganzjährig Wasser liefern, das Temperaturen von bis zu 70 °C hat. Auch höhere Temperaturen können grundsätzlich erzielt werden. Da dies dann Einfluss auf den Leistungsbedarf der Kompressoren hat, sollte eine solche Nutzung vorher allerdings auf ihre Wirtschaftlichkeit geprüft werden.
Bei wassergekühlten Kompressoren spielen die bauseitigen Voraussetzungen und die Kühlwasserkosten eine zusätzliche Rolle; prinzipiell ist auch hier die aufgezeigte Wasserwärmerückgewinnung über einen zweiten angeschlossenen Kreislauf möglich.
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Wärmerückgewinnung kann also die Effizienz einer Druckluftanlage deutlich erhöhen und die Umwelt entlasten, weil Treibhausgas-Emissionen vermieden werden. Die Höhe der notwendigen Investitionen richtet sich nach örtlichen Gegebenheiten, Einsatzzweck und gewähltem Wärmerückgewinnungsverfahren.
