Energieeinsparungen bei der Drucklufttrocknung

Druckluft ist eine der teuersten Energieformen, die aus Strom hergestellt werden. Durch die steigenden Energiepreise suchen Druckluftanwender daher vielfach nach kurzfristigen, einfachen und schnell umsetzbaren Lösungen zur Energieeinsparung im Bereich der Drucklufterzeugung und Druckluftaufbereitung. Der Energieverbrauch eines Druckluft-Adsorptionstrockners ist vom Regenerationsverfahren, dem gewünschten Drucktaupunkt und vom eingesetzten Trockenmittel abhängig, mit dem dieser Taupunkt realisiert werden soll. Je tiefer dieser Drucktaupunkt ist, umso höher ist auch der erforderliche Energieeinsatz.

Zum direktem Energieverbrauch gehört der für die Regeneration des Trockners je nach System erforderlichen Elektroverbrauch. Als indirekter Energieverbrauch zählt der Bedarf an trockener Druckluft, der zur Stabilisierung der Regeneration sowie zur Kühlung benötigt wird. Dieser in Energievergleichen oft vergessene Spülluftverbrauch kann je nach spezifischer Leistung des Kompressors bis zu 0,14 kWh/m3 betragen und wirkt sich im Druckluftbetrieb wie eine klassische Leckage aus.

Zwei Kriterien für energiesparenden Betrieb

Kaltregenerierte Adsorptionstrockner, die die Regeneration mit 15 bis 20 % getrockneter Druckluft des Nenndurchsatzes ohne weitere externe Wärmezufuhr durchführen, sind bezogen auf den Energieverbrauch die teuerste Art, Druckluft zu trocknen. Extern beheizte Drucklufttrockner verdeutlichen die klassische Bauweise von warmregenerierenden Adsorptionstrocknern mit hohem Einsparpotenzial. Die zur Desorption erforderliche Wärme wird hier von einem externen Elektroerhitzer an einen Gebläseluftstrom (Umgebungsluft) übertragen, der sowohl die Aufgabe der Wärmeübertragung als auch die des sich anschließenden Transports von Wasserdampf aus dem Trockenmittelbehälter übernimmt. Nach der Desorption ist der regenerierte Adsorber zu kühlen, um einen Wärme- oder Taupunktpeak nach der Umschaltung zu verhindern.
Bei extern warmregenerierten Trocknern unterscheidet man unterschiedliche Kühlvarianten. Beim sogenannten Blower-Purge-Verfahren wird ein Teilstrom getrocknete Druckluft für die Kühlung des Adsorbers benötigt. Bei einem Blower-Non-Purge- oder Zero-Purge-System wird die Kühlung dagegen mit Gebläseluft im Gleichstrom zur Adsorption durchgeführt, sodass verfahrenstechnisch keine getrocknete Druckluft erforderlich wird. Auf Basis der beschriebenen Systeme ergibt sich durch die unterschiedlichen Regenerationsverfahren zwischen kalt- und warmregenerierenden Drucklufttrocknern der größte Unterschied im Energieverbrauch.

Ein kaltregenerierter Trockner hat einen etwa um 35 % höheren Energieverbrauch als ein warmregenerierter Blower-Purge-Drucklufttrockner. Blower-Non-Purge- oder Zero-Purge-Verfahren dagegen benötigen wiederum rund 12 % weniger Energie als der warmregenerierte Blower-Purge-Trockner mit Spülluftverbrauch.

Das Wissen um diese Unterschiede hilft bei einem bestehenden Drucklufttrockner aber nur bedingt weiter. Einen Trockner durch einen neuen Drucklufttrockner mit effizienterem Regenerationsverfahren zu ersetzten oder einen vorhandenen Trockner zu modifizieren und beispielsweise auf einen Zero-Purge-Betrieb oder einen anderen Wärmeträger wie beispielsweise Dampf umzurüsten, ist, wenn überhaupt, nur mit erheblichem Aufwand und damit verbundenen hohen Investitionskosten zu realisieren.

Natürlich gibt es trotzdem zahlreiche Möglichkeiten einen bestehenden Drucklufttrockner zu optimieren. Eine dieser Möglichkeiten ist eine meist schon vorhandene beladungsabhängige Taupunktsteuerung, die eine Umschaltverzögerung der Adsorber über einen Taupunktsollwert vornimmt und so den Betrieb an tatsächliche Betriebsbedingungen anpasst und einen effizienteren Betrieb ermöglicht. Eine weitere effektive und schnell durchzuführenden Lösung zur Senkung der Energiekosten bei einem bestehenden warmregenerierenden Trockner ist der Einsatz bzw. die Erneuerung eines effizienteren Trockenmittels.

Sorbead Air, die energiearme Lösung

Die Energieeffizienz eines Trockenmittels hängt dabei im Wesentlichen von zwei Kriterien ab. Einerseits von einer möglichst niedrigen erforderlichen Desorptionstemperatur sowie andererseits von einer hohen dynamischen Aufnahmekapazität zur Feuchteaufnahme. Das energiearme Trockenmittel Sorbead Air von BASF erfüllt in warmregenerierten Drucklufttrocknern im Gegensatz zu den preisgünstigen, aber nicht besonders energieeffizienten Alumina-Trockenmitteln genau diese Eigenschaften. So reichen, um tiefe Taupunkte von -40 °C zu erreichen, bereits Desorptionstemperaturen von 120 bis 140 °C in Abhängigkeit der Desorptionsluftfeuchte aus. Außerdem sind entsprechend der Eintrittsbedingung dynamische Kapazitäten bis zu 20 Gew.-% (200 g H2O /kg Trockenmittel) möglich, die eine Verlängerung der Trocknungszeit pro Adsorber (Zykluszeit) bewirken und so den mittleren Energiebedarf ebenfalls reduzieren.

Die mit dem Sorbead CO2-Footprint-Tool (s. Abb. 2) vorgenommene Berechnung zeigt, dass bereits bei einer exemplarisch angenommenen geringen zu trocknenden Druckluftmenge durch Einsatz eines energiearmen Sorbead-Air-Trockenmittels über 44.000 kWh pro Jahr eingespart werden, was in etwa 18 % an Energie entspricht. Darüber hinaus fallen 17 Tonnen weniger CO2 pro Jahr im Betrieb mit Sorbead Air an. Trotz dieser signifikanten Energieeinsparung kommt Activated Alumina auch heute noch in neu zu liefernden warmregenerierten Drucklufttrocknern oder bei einer planmäßigen Trockenmittelerneuerung (Refill) eines bestehenden Trockners zum Einsatz.

Neues für Gebrauchtes!

Doch nicht nur der Ersatz eines Alumina-Trockenmittels durch Sorbead Air, sondern auch Drucklufttrockner, die seit Jahren mit einem energiearmen Trockenmittel wie KC-Trockenperlen, Sorbead oder Sorbead Air betrieben werden, bieten die Möglichkeit den Energieverbrauch durch eine rechtzeitige Trockenmittelerneuerung zu senken.
Auch ein in die Jahre gekommenes energiearmes Trockenmittel unterliegt aufgrund der Trocknungszyklen einer natürlichen hydrothermalen Alterung, die durch die kontinuierliche Feuchteaufnahme während der Adsorption und der anschließenden Anzahl der Desorptionen verursacht wird. Alterung bedeutet hier sinngemäß ein verringertes Porenvolumen und geringere spezifische Oberfläche, die bei einem neuwertigen Trockenmittel bis zu 800 m2/g betragen kann. Diese natürliche Alterung kann durch weitere Einflüsse wie etwa vorhandene ölhaltige Bestandteile, die in das Adsorberbett gelangen, oder durch Verunreinigungen der Druckluft zunehmen. Aber auch mechanische Belastungen durch erhöhte Strömungsgeschwindigkeiten oder eine Feuchte-Überladung, die einen verstärkten Abrieb ergeben, haben eine zusätzliche Abnahme der Kapazität zur Folge.

Die noch vorhandene Kapazität einer Trockenmittelfüllung kann mit einer Trockenmittelprobe anhand der spezifischen Oberfläche und des Porenvolumens in einer Laboruntersuchung ermittelt werden. Liegen vollständige Anlagen- und aktuelle Betriebsdaten des Drucklufttrockners vor, kann unabhängig von einer Trockenmittelprobe alternativ auch eine verfahrenstechnische Simulation Ergebnisse über die aktuelle Effizienz ergeben. Bereits bei einer typisch erreichbaren Standzeit zeigt sich mit Sorbead gegenüber einer neuwertigen Trockenmittelfüllung ein entsprechender Mehrverbrauch bei einem Blower-Purge-Trockner (s. Abb. 3). Über diesen angenommenen Zeitraum hinaus erhöht sich der Leistungsbedarf des Drucklufttrockners proportional, was im weiteren Betrieb selbst mit einer in die Jahre gekommenen energiearmen Trockenmittelfül-lung einen nicht unerheblichen elektrischen Mehrverbrauch zur Folge hat.
Die Abnahme der Aufnahmekapazität führt, wie man im Diagramm sieht, nicht zwangsläufig zu einer sofortigen deutlichen Verschlechterung der Drucktaupunkte über den Zyklus. Sie macht sich vielmehr durch eine Verkürzung der Trocknungszeit bemerkbar, die durch einen vorzeitigen Feuchtedurchbruch aufgrund nicht mehr vorhandener Beladungskapazität der Trockenmittelfüllung ausgelöst wird.

Zwar muss bei einem kürzeren Zyklus weniger Feuchte adsorbiert werden. Da aber die erforderliche Desorptionswärme des Wassers (Heat of Adsorption in kJ/ kg H2O) beim Regenerieren mit abnehmender Aufnahmekapazität steigt und der Adsorber aus Stahl sowie die Trockenmittelmasse selbst unverändert bis zur Desorption des Wassers erhitzt werden müssen, ergibt sich im Verhältnis trotz einer geringeren adsorbierten Feuchtemenge ein erhöhter Energiebedarf pro Zyklus.