Druckluftaggregat mit Wärmerückgewinnung Energiepotenziale bei der Drucklufterzeugung richtig nutzen

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Um die Wärmeenergie, die bei der Drucklufterzeugung anfällt, effizient für weitere Betriebsabläufe nutzen zu können, ist es wichtig, den Gesamtprozess des Kunden zu betrachten. Aerzen und die Tochtergesellschaft RKR bietet hierfür kundenindividuelle Lösungen.

Bei der Erzeugung von Druckluft fällt eine große Menge an Wärmeenergie an. Wird diese Prozesswärme mittels Wärmerückgewinnung für weitere Betriebsabläufe wie Wassererwärmung, Trocknungsprozesse oder Vorerwärmung von Brennerluft nutzbar gemacht, lassen sich erhebliche Energieeinsparungen, Emissionssenkungen und Kostenreduzierungen erzielen.

Mit hochleistungsfähiger Kompressortechnologie und maßgeschneiderten Systemen zur Wärmerückgewinnung bietet Aerzen dafür Lösungen. Ein Beispiel sind die zweistufigen Schraubenverdichter der Baureihe 2C mit Wärmerückgewinnung aus dem Hause der RKR Gebläse und Verdichter GmbH, einer 100%igen Tochtergesellschaft von Aerzen. Die zweistufigen Verdichterlösungen werden durch die Aerzener Kundenberatung und Engineering-Kompetenz von RKR zu einer idealen Systemlösung der Kundenanwendung.

Ein Einsatzfall in der Praxis

Zunächst dreht sich alles um den Einsatz- und Anwendungsfall, in diesem Beispiel die Nutzung von trockener Druckluft im Vergütungsprozess der Stahlherstellung. Ein klares Verständnis über die Applikation und die Einsatzbedingungen, insbesondere die im Betriebs-/Jahreszyklus unterschiedlichen Umgebungsbedingungen und Betriebspunkte, sind maßgeblich. Hier zeigt sich, dass neben der maschinenspezifischen Betriebssituation, wie Voll- und Teillast, auch das außerhalb der Verdichtertechnik bestehende System, zum Beispiel einer jahreszeitabhängigen Zuschaltung von Kältetrocknern oder Absorptionstrocknern, übergeordnet zu betrachten ist.

Von der Verdichter- zur Systemlösung

Während die althergebrachte Maschinenperspektive sich „nur“ auf Eintritts- und Austrittsbedingungen richtet, ist das Verständnis der Anwendung ein Muss für die Systemlösung.

Für die Maschine als Blackbox gelten nur wenige Eckdaten, wie das Schaubild zeigt:

Im System dagegen kommen andere Perspektiven und Anforderungen hinzu – und zwar der Gesamtprozess des Kunden und dabei das Ziel, die in dem verdichteten Gas enthaltene Wärmeenergie als Quelle für die Erwärmung von Prozesswasser zu nutzen. Also geht es nicht mehr ausschließlich um ein Gas am Übergabepunkt der Maschine (siehe Schaubild Maschinenperspektive), sondern vielmehr um die Frage, wie einem Gesamtsystem, also einem Prozess, eine größtmögliche Wärmeenergie zugeführt werden kann.

Ein Kunstgriff für Innovation

Ein Großteil der elektrischen Antriebsenergie bei luft- oder wassergekühlten ölfreien Kompressoren wird im Gasstrom als Wärme gebunden. Nun kommt der Trick: Die aus der mehrstufigen Verdichtung des Gases resultierende Temperaturerhöhung von bis zu 200 K wird dafür genutzt, einen Wasserkühlkreislauf auf ein möglichst hohes Temperaturniveau zu bringen, dabei ist gleichzeitig sicherzustellen, das Gas für den Kundenprozess auf einer maximalen Austrittstemperatur von 40 °C zu halten. Damit ist ein weiterer Mehrwert gegeben, da das Gas auch für den nachgeschalteten Trockner mit einer für die Trocknung optimalen Eintrittstemperatur zur Verfügung gestellt wird.

Dies kann auf unterschiedliche Weise innerhalb und außerhalb der Maschinentechnik erfolgen. Es gilt aber, ein Optimum aus funktionaler Integration, Wirtschaftlichkeit und Effizienz zu schaffen. Hier kommen die Engineering-Kompetenz und die innovative Kreativität der Systemlösung von RKR zum Tragen: Eine funktionale Verschaltung und Steuerung von mehreren Wasserkühlern integriert in der Systemtechnik schafft dabei ungeahnte Potenziale für die Nutzung der im Gas gebundenen Wärme.

Wärmeenergie sinnvoll nutzen

Als Ergebnis der verschalteten Systemtechnik konnte in dem konkreten Anwendungsfall schon bei Teillastbetrieb von zwei Maschinen nach einer Stunde eine Wärmeleistung von 1.200 kW (1,2 Megawatt!) in den Kundenprozess eingespeist werden. Somit konnte ein Großteil der elektrischen Antriebsenergie, die bei der Drucklufterzeugung in Wärme umgewandelt wurde, für die Temperierung im Produktionsprozess genutzt werden, ohne dabei auf bislang zusätzliche Energiequellen zugreifen zu müssen. Dies ermöglicht erhebliche Energieeinsparungen, eine verbesserte Wirtschaftlichkeit, die Steigerung der Energieeffizienz des Gesamtsystems und somit einen wichtigen Beitrag für das Klima und den CO2-Fußabdruck.

Maximale Anlagenperformance dank kundenindividuell konzipierter Druckluftlösungen

Die luft- oder wassergekühlten Kompressoren liefern ölfreie und absorptionsmittelfreie Druckluft im Druckbereich von 4 bis 11,5 bar (g) und sind für Volumenströme von 166 m³/h bis 9.300 m³/h ausgelegt. Das modulare Konzept garantiert eine hohe funktionale Anpassungsfähigkeit für unterschiedliche Antriebs- und Steuerungskonzepte und gewährleistet größte Flexibilität bei der Anpassung an die applikationsspezifischen Anforderungen und kundenindividuellen Prozessbedingungen, wie vorab beschriebener Einsatzfall gezeigt hat. Neben funktional zugeschnittenen Lösungen kommen auch individuelle Ausführungen für besonders schallreduzierte Anwendungen, Außenaufstellungen oder Heavy-Duty-Container-Konfigurationen zum Einsatz.

Skalierung bis zur Automatisierungsebene

Auch hier gilt: Die Einzellösung ist perfekt auf die Anwendung zugeschnitten – ob als Stand-alone-Lösung oder in einem Maschinen- und Systemverbund, siehe Anwendungsbeispiel einer Druckluftanlage mit angebundenen Trocknern in einer sogenannten Master-Slave-Konfiguration.

Diese zugeschnittene Master-Slave-Steuerung im Systemverbund ermöglicht es, mehrere Verdichter und Trockner in einem System koordiniert zu betreiben. Hierbei gibt es einen Master-Verdichter, der die Kontrolle über die Steuerungseinheit hat und die Leistung der Slave-Verdichter entsprechend den Anforderungen des Systems anpasst. Die Steuerungseinheit überwacht dabei die Betriebsparameter der Verdichter, wie beispielsweise Druck und Durchfluss, und steuert sie so, dass sie effizient und zuverlässig arbeiten. Eine zusätzlich redundant ausgeführte Steuerung bietet eine zusätzliche Schutzebene gegen Ausfälle im Steuerungssystem. Durch die Kombination einer Master-Slave-Steuerung mit einer redundanten Steuerung wird die Zuverlässigkeit der Systemlösung weiter erhöht, da ein Ausfall einer Steuerungseinheit nicht zum Ausfall des gesamten Systems führt.

Die Kommunikation erfolgt in diesem konkreten Einsatzfall zwischen den Verdichtern, den jeweiligen über Mittelspannungs-Frequenzumrichtern drehzahlveränderbaren Antrieben, den Trocknern und der DCS (Distributed Control System) über Profinet. Profinet als bewährtes industrielles Kommunikationsprotokoll ermöglicht dabei eine schnelle und zuverlässige Kommunikation zwischen den verschiedenen Komponenten des Gesamtsystems.

Mit zunehmender Automatisierung und einer spezifischeren Erfassung von Betriebsdaten/-zuständen ergeben sich weitere Perspektiven für die Systembeobachtung und Optimierung: Skalierbare Systembausteine mit Schnittstellen für eine Remote- und/oder lokale Betriebs-und Anlagenanalyse sowie Service-Logs stehen zur Verfügung und können mit ergänzenden Serviceleistungen nach Bedarf kombiniert werden.

Bislang ungenutzte Potenziale ausschöpfen

Mit der Kombination aus Maschinen- und Systemperspektive, kreativem, kompetentem Engineering und einem bewährten modular skalierbaren Baukasten bietet RKR als Spezialist für zweistufige Verdichterlösungen in der Unternehmensgruppe Aerzen zugeschnittene Systemlösungen mit Mehrwert in der Kundenanwendung. Das -team unterstützt Anwender dabei, ihre bislang ungenutzten Potenziale auszuschöpfen.

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