Heizkraftwerk liefert Druckluft

Verbrennungmotor treibt Luftverdichter an und erzeugt zusätzlich Prozesswärme

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17.04.2019 Die Drucklufterzeugung ist einer der ineffizientesten Energieumwandlungsprozesse in der Industrie. Mehr als 90 % der zugeführten elektrischen Leistung am Kompressor wird in Wärme umgewandelt, aber auf einem so niedrigen Temperaturniveau, dass eine Nutzung als Prozesswärme kaum möglich ist. Das thüringische Maschinenbau-Unternehmen Altairnative aus Mülhausen hatte eine Idee, wie sich die Temperatur des Abwärmestroms ohne zusätzliche Energiezufuhr auf fast 100 °C oder mehr erhöhen lässt: indem man den elektrischen Kompressorantrieb durch einen Verbrennungsmotor ersetzt.

Entscheider-Facts für Betreiber und Manager

  • Die energetisch sehr verlustreiche und daher teure Drucklufterzeugung lässt sich wirtschaftlich verbessern, indem man den elektrischen Kompressorantrieb durch einen Verbrennungsmotor ersetzt und dessen Abwärme zusätzlich nutzt.
  • Die so erzeugte Abwärme hat mit bis zu 108 °C eine deutlich höhere Temperatur als Kompressor-Abwärme.
  • Die beschriebene Anlagentechnik ist förderfähig nach der Richtlinie für die Förderung der „Energieeffizienz und Prozesswärme aus Erneuerbaren Energien in der Wirtschaft“.

CT0419_Altairnative_Bild 1_Druckluft-Heizkraftwerk_D-Jet

Ein Druckluft-Heizkraftwerk der Baureihe D-Jet mit 45 kW Motornennleistung in Betrieb: Die Verdichtereinheit liefert 6,9 m3/min Druckluft bei einem Druck von 8 bar. Bilder: Altairnative

Auf diese Art und Weise lassen sich höhere Temperaturen im Abwärmestrom (Vorlauftemperatur) erzielen. Daher lässt sich diese Abwärme öfters als Prozesswärme nutzen.

Druckluft ist eher das Nebenprodukt

Der Drucklufterzeuger des Herstellers ist eher ein Wärmeerzeuger, der auch Druckluft liefert beziehungsweise ein Druckluft-Heizkraftwerk (DHKW), also ein Heizkraftwerk, das anstelle von Strom Druckluft erzeugt. Dazu ist ein energieeffizienter Erdgasmotor mit einem direkt angetriebenen Verdichterelement verbunden. Bei der Verdichtung der Luft wird fast die komplette mechanische Leistung des Motors in Wärme umgewandelt – und muss abgeführt werden. Diese thermische Energie ist die erste Stufe der Wärmenutzung; genauso ist es auch bei einem elektrisch angetriebenen Kompressor. Beim Verbrennungsmotor wird zusätzlich die Wärme aus der Motorkühlung sowie aus dem Verbrennungsabgas genutzt. Mit einem Brennwert-Wärmeübertrager sowie einem Druckluftkühler lässt sich der thermische Gesamtwirkungsgrad des DHKW weiter verbessern; diese Wärmetauscher gewinnen auch die Kondensationswärme aus der Luftfeuchtigkeit der komprimierten Luft und aus dem Abgas zurück und bringen sie in den Wärmekreislauf ein. Um den Eigenstrombedarf der Anlage zu vermindern, werden außerdem hocheffiziente Pumpen eingesetzt.

Mit verschiedenen Verdichterbauarten wie ölfreien und öleingespritzten Verdichterelementen in mehreren Druckstufen und Leistungsgrößen lässt sich das DHKW an die jeweiligen Bedürfnisse anpassen. Die Anlage kann auch in einem Container aufgestellt werden. Weil die Anlagen sehr kompakt gebaut werden, lassen sie sich gut in bestehende Heiz- und Druckluftanlagen einbinden. Der Hersteller liefert zudem auch konventionelle Druckluftanlagen (herstellerunabhängig) als redundante Systeme für DHKW.

Die modular aufgebauten DHKW liefern Druckluft in vier Druckstufen: 4 / 8,5 / 10 / 13 bar. Die Druckluft-Liefermenge lässt sich von 50 bis 100 % ohne Wirkungsgradverlust regeln. Inzwischen sind die Anlagen in sechs Baugrößen von 26 kW (Baugröße Föhn) bis 300 kW mechanischer Motornennleistung (Baugröße Tornado) mit öleingespritzten Schraubenverdichtern verfügbar. Sie erzielen Vor-/Rücklauftemperaturen von 90/70 °C im Standardfall, möglich sind bis 95 °C Vorlauftemperatur. Bei zwei Baugrößen – Taifun 170 kW und Tornado 300 kW, können auch ölfreie, zweistufige Verdichterstufen eingesetzt werden. Diese beiden Maschinenbaureihen erzielen Vor-/Rücklauftemperaturen von 90/70 °C im Standardfall; möglich sind Vorlauftemperaturen von bis zu 108 °C. Diese höhere Temperatur ist für den Betrieb von Absorptionskältemaschinen sehr gut geeignet, die der Hersteller ebenfalls anbietet. Dadurch wird beispielsweise die Effizienz des Absorbers erhöht .

Die Baugröße Taifun beispielsweise hat eine Motornennleistung von 170 kW und liefert rund 400 kW thermische Leistung sowie 29 m³/min Druckluft bei 8,5 bar (ü). Die neue und kleinste Maschinenbaugröße, Föhn genannt, liefert ungefähr 4 m³/min Druckluft bei 8 bar (ü) und rund 70 kW thermische Leistung bei 26 kW Motornennleistung.

Druckluft praktisch zum Nulltarif

CT0419_Altairnative_Bild 2_Druckluft-Heizkraftwerk_Innenansicht

An den Wärmeübertragern der Druckluft-Heizkraftwerke Baureihe D-Jet können 38 kW Kompressor-Abwärme, 32 kW Abgas-Abwärme und 46 kW Wärme aus der Kühlung des Verbrennungsmotors als thermische Leistung ausgekoppelt werden.

Ein DHKW hat einen hohen thermischen Wirkungsgrad, fast 90 %, und entspricht damit einer modernen Heizungsanlage. Von den Gestehungskosten her gesehen heißt das, dass die eigentlich teure Druckluft zum Nulltarif bereitgestellt wird. Gegenüber einer getrennten Erzeugung von Druckluft und Wärme vermindern sich die CO2-Emissionen mit einem DHKW um etwa 42 %. Das clevere Konzept des Unternehmens wurde daher Ende des Jahres 2018 mit dem Thüringer Energieeffizienzpreis ausgezeichnet. Die unabhängige Jury urteilte, angeführt von Prof. Dr.-Ing. Peter Bretschneider, Abteilungsleiter Angewandte Systemtechnik im Fraunhofer-IOSB: „Die Technologie der Druckluftheizkraftwerke ermöglicht industriellen Anwendern die kostengünstige Bereitstellung von Prozesswärme bei gleichzeitiger Erzeugung von Druckluft. Der sehr gute thermische Wirkungsgrad lässt dabei die Druckluft zum Nebenprodukt werden. DHKW-Projekte rechnen sich schnell und leisten einen wichtigen Beitrag zur Energiewende durch die Reduzierung des Treibhausgases CO2.“

Finanzielle Zuschüsse aus dem Förderprogramm

Nach dem Modul 4 „Energiekosten durch hocheffiziente Technologien minimieren“ der Richtlinie für die Förderung der „Energieeffizienz und Prozesswärme aus Erneuerbaren Energien in der Wirtschaft“ vom 17. Dezember 2018 sind DHKW von Altairnative förderfähig, wenn folgende Voraussetzungen erfüllt werden:

  • Es muss eine Endenergieeinsparung nachgewiesen werden.
  • Es muss aufgezeigt werden, dass die bereitgestellte Prozesswärme sowie die dadurch erzeugte Druckluft entsprechend verwertet werden können.
  • Die erzeugte Wärme muss primär (> 50 %) zur Bereitstellung von Prozesswärme dienen.
  • Unabhängig davon gilt: Einsparungen, die nur durch den Ersatz von Energieträgern durch fossile Energieträger erzielt werden, sind nicht förderfähig.

Auf Wunsch unterstützt der Hersteller die Anlagenbetreiber bei der Beantragung der Fördermittel. Die finanzielle Förderung dabei sieht wie folgt aus:

  • Tilgungszuschuss,
  • Zuschuss bis zu 30 % der förderfähigen Kosten, bis zu 500 Euro pro eingesparte Tonne CO2, insgesamt aber nicht mehr als 10 Mio. Euro,
  • Zuschuss bei KMU: bis zu 40 % der förderfähigen Kosten und max. 700 Euro pro eingesparte Tonne CO2, insgesamt aber nicht mehr als 10 Mio. Euro.

Allgemein darf man davon ausgehen, dass sich die Amortisationszeit eines DHKW-Projektes durch die Fördermittel um ein Jahr verkürzt. Im Übrigen ist der Anlagenbetrieb von DHKW unabhängig von politischen Rahmenbedingungen wie dem Kraft-Wärme-Kopplungsgesetz (KWKG) und dem Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG).

 

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Heftausgabe: April/2019

Über den Autor

Roman Felbek, Altairnative
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