Energetische und ökonomische Optimierung von Trocknungsprozessen durch Integration von Wärmepumpen

Im Rahmen des IGF-Vorhabens 112 EBG mit dem Titel „Energetische und ökonomische Optimierung von Trocknungsprozessen durch Integration von Wärmepumpen“ hatte das PFI die Aufgabe eine Wärmepumpe (WP) in eine Gärresttrocknung zu integrieren, um sie in energetischer und ökologischer Hinsicht zu optimieren. 

Ziele

Hauptziel des Projekts war die Integration von Wärmepumpen (WP) in industrielle Trocknungsprozesse, um sie in energetischer und ökologischer Hinsicht zu optimieren. Der Schwerpunkt lag dabei auf Konvektionstrocknern, weil diese am häufigsten verwendet werden und weil sich hier die Einbindung von Wärmepumpen leichter umsetzen lässt. Im Projektverlauf wurden hierzu an verschiedenen Industriestandorten Simulationen, Demonstrationen und Fallstudien durchgeführt.

Industrielle Anwendung

Trocknung ist ein wesentlicher Bestandteil vieler Produktionsprozesse. Daher dienen die Ergebnisse dieses sektorübergreifenden Projekts einem breiten Spektrum an Industriezweigen. Das Projektkonsortium bestand aus Forschungsinstituten mit langjähriger Erfahrung in WP- und/oder Trocknungstechnologie und KMUs aus unterschiedlichen Branchen mit praktischen Kenntnissen über die spezifischen Produktionsmethoden und die jeweiligen technischen, ökonomischen und ökologischen Anforderungen. Die deutschen Forschungsstellen deckten Trocknungsprozesse in der Holz-, Textil- und Ziegelindustrie sowie Trocknung in Wäschereien und von landwirtschaftlichen Produkten ab. Innerhalb der flämischen Nutzergruppe waren über teilnehmende Firmen zusätzliche Industriezweige vertreten.     

Schlussfoglerung

Im Rahmen von Simulationen und Demonstrationen (in Labor- und Pilotmaßstab) wurden große Energieeinsparpotentiale durch Integration von WP nachgewiesen. Die Kopplung von Biogastrocknung und Gärrestrocknung mittels Wärmepumpe wurde an einer Pilotanlage demonstriert. Hierdurch wurde erreicht, dass Biogas mit einer Kühlleistung von knapp 30 kW getrocknet und der Trockner mit einer Heizleistung von 50 kW versorgt wurde. Die Wärmepumpe benötigte dafür gut 17 kW Strom. Daraus erfolgte ein COP (Coefficient of Performance = Leistungszahl) von 5 für das gesamte System. Das bedeutet, dass pro kW elektrischer Leistung 5 kW nutzbare thermische Gesamtleistung erbracht wurden.

Die Fallstudien, besonders die, die in Flandern durch die UGent durchgeführt wurden, zeigten nicht immer die gleichen Energieeinsparungen. Der Hauptgrund lag in den teilweise hohen Temperaturniveaus der untersuchten Trocknungsprozesse (180 bis >220 °C), die mittels derzeitig verfügbaren WP nicht erreicht werden können. Aufgrund der derzeitig durchgeführten Wärmerückgewinnung mittels Wärmetauscher zwischen Trocknerabluft und Frischluftzufuhr muss ein hoher Temperaturlift bei offenen Trocknern realisiert werden. Dies verursacht einen niedrigen COP, der teilweise niedriger ist als das derzeitige Preisverhältnis zwischen Strom und Gas.

Besonders der Gaspreis ist während der Projektlaufzeit stark gefallen, wodurch der Einsatz von elektrisch angetriebenen WP nur schwer zu begründen ist. Da die untersuchten Trockner in den Fallstudien keine geschlossenen Systeme waren, konnten nicht alle Vorteile der Integration von Wärmepumpen demonstriert werden. Daraus resultiert, dass keine der untersuchten Anwendungen eine kurzfristige industrielle Realisierung erfährt, jedoch wurden die Projektergebnisse seitens der beteiligten Nutzer für die erwartete Energiewende mit höherer Besteuerung von Kohlendioxid und stark fluktuierenden Strompreisen als sehr nützlich angesehen. Darüber hinaus werden bei zukünftig geplanten Investitionen geschlossene Trocknungsanlagen in Erwägung gezogen.

Das IGF-Vorhaben 112 EBG der Forschungsvereinigung Prüf- und Forschungsinstitut Pirmasens e.V. -PFI-, Marie-Curie-Straße 19, 66953 Pirmasens wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

 

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