Industrielle Trockner benötigen große Mengen Prozesswärme. Das Fraunhofer IGB koppelt die Trocknung mit überhitztem Wasserdampf deshalb an Wärmerückgewinnung, Turbokompressoren und eine vorausschauende Steuerung. Pilotanlagen laufen bereits. Wie hoch die Einsparung tatsächlich ausfällt, ist jedoch noch nicht abschließend belegt.
Bei der Herstellung von Chemikalien, Baustoffen, Papier oder Lebensmitteln muss häufig Wasser aus Produkten und Rohstoffen entfernt werden. Viele Anlagen blasen dafür erhitzte Luft durch das Material. Die Wärme stammt oft aus der Verbrennung von Erdgas und verlässt den Prozess anschließend zum Teil mit der feuchten Abluft.
Nach Angaben des Fraunhofer-Instituts für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB entfallen etwa 20 bis 25 % des industriellen Energiebedarfs auf Trocknungsprozesse. Rund 85 % der Verfahren arbeiteten mit fossil beheizten, konvektiven Ablufttrocknern. Bei fast allen dieser Anlagen werde der entstehende Wasserdampf über die Abluft abgeführt, ohne seine Energie weiter zu nutzen.
Im Forschungsprojekt LowCarbDry wollen das Fraunhofer IGB und drei Industriepartner diese Verluste verringern. Sie kombinieren die Trocknung mit überhitztem Wasserdampf unter anderem mit mechanischer Brüdenverdichtung, mehrstufigen Turbokompressoren und einer modellprädiktiven Regelung. Das Projekt läuft seit September 2023 und endet im August 2026. Pilotanlagen zur Heißdampf-Sprühtrocknung sind laut Fraunhofer bei den beteiligten Unternehmen bereits in Betrieb.
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Geschlossener Dampfkreislauf hält Wärme im Prozess
Bei der konventionellen Heißlufttrocknung muss nicht nur das Wasser im Produkt erwärmt und verdampft werden. Auch große Mengen Luft werden aufgeheizt. Verlässt diese Luft anschließend den Trockner, geht ein Teil der eingesetzten Energie verloren.
LowCarbDry verwendet stattdessen überhitzten Wasserdampf bei Atmosphärendruck. Der Dampf ist heißer als die zu seinem Druck gehörende Siedetemperatur und kann deshalb weitere Feuchtigkeit aus dem Produkt aufnehmen.
Das Trocknungsmedium zirkuliert weitgehend in einem geschlossenen Kreislauf. Der aus dem Produkt austretende Wasserdampf erhöht dabei die Dampfmenge im System. Dieser Überschussdampf enthält weiterhin einen erheblichen Teil der zuvor eingesetzten Verdampfungsenergie.
Wird er kondensiert, entsteht nach Angaben des Instituts nutzbare Wärme bei etwa 90 bis 100 °C. Sie kann in anderen Produktionsschritten eingesetzt werden. Bei passenden örtlichen Voraussetzungen wäre auch eine Einspeisung in ein Nahwärmenetz denkbar.
Turbokompressoren erhöhen die Dampftemperatur
Ein Schwerpunkt des Projekts ist die mechanische Brüdenverdichtung. Sie funktioniert nach dem Prinzip einer offenen Wärmepumpe: Der Wasserdampf aus dem Trocknungsprozess dient selbst als Arbeitsmedium.
Kompressoren erhöhen den Druck des Überschussdampfs. Dadurch steigt auch dessen Temperatur. Die Wärme lässt sich anschließend erneut für die Trocknung verwenden. Ein separater Kältemittelkreislauf ist bei dieser Ausführung nicht erforderlich.
Für LowCarbDry entwickeln die Projektpartner ein mehrstufiges Verdichtungssystem mit Turbokompressoren und Zwischenkühlung. Es soll größere Temperatursprünge ermöglichen, als sie mit einer einzelnen Verdichterstufe wirtschaftlich erreichbar wären.
Wie effizient das System arbeitet, hängt allerdings vom benötigten Temperaturhub, dem Druckverhältnis und den Wirkungsgraden der Verdichter ab. Öffentliche Angaben zur elektrischen Leistungsaufnahme, zur Leistungszahl oder zum spezifischen Energieverbrauch der Pilotanlagen liegen bislang nicht vor.
Sprühtrocknung von Kieselsäure als Testfall
Im Projekt wird die Technik für die Sprühtrocknung von Kieselsäure weiterentwickelt. Bei diesem Verfahren wird eine flüssige Suspension oder Lösung in feine Tropfen zerstäubt. Das Wasser verdampft im heißen Prozessgas, während trockene Partikel zurückbleiben.
Die Anforderungen an den Prozess sind hoch: Temperatur, Verweilzeit und Strömung müssen so geregelt werden, dass das Produkt gleichmäßig trocknet und die gewünschten Partikeleigenschaften behält.
Neben dem Fraunhofer IGB sind Evonik Operations, die Pergande Gesellschaft für Industrielle Entstaubungstechnik und German Pneumatics Engineering beteiligt. Zum Projekt gehören der Aufbau einer Pilotanlage und ein Konzept für die Übertragung auf einen industriellen Maßstab.
Steuerung soll günstige Stromzeiten nutzen
Eine modellprädiktive Regelung soll den Anlagenbetrieb zusätzlich optimieren. Sie verwendet Prozessmodelle und Prognosedaten, um die Entwicklung der Anlage vorauszuberechnen und Stellgrößen frühzeitig anzupassen.
Dabei können auch Prognosen zur Stromerzeugung und zum Strompreis einfließen. Lässt sich ein Trocknungsprozess zeitlich verschieben, könnte die Anlage verstärkt dann laufen, wenn viel erneuerbarer Strom verfügbar ist.
Das senkt nicht zwangsläufig den physikalischen Energiebedarf. Es kann aber die Stromkosten und – abhängig vom Strommix – die CO₂-Emissionen verringern. Voraussetzung ist, dass Produktion, Materialfluss und Produktqualität einen flexiblen Betrieb zulassen.
80-%-Angabe bleibt erklärungsbedürftig
Fraunhofer nennt für die Kombination aus Dampftrocknung, Wärmepumpe und flexiblem Betrieb eine Senkung des Energieverbrauchs um bis zu 80 %. Die Projektseite formuliert allerdings abweichend: Dort soll der Energiebedarf durch Heißdampftrocknung und mechanische Brüdenverdichtung um den Faktor 2 bis 4 sinken.
Die Angaben sind rechnerisch nicht deckungsgleich. Eine Verringerung um den Faktor 2 entspricht einer Einsparung von 50 %, Faktor 4 entspricht 75 %. Für eine Einsparung von 80 % müsste der bisherige Energiebedarf auf ein Fünftel sinken.
Aus den veröffentlichten Informationen geht nicht hervor, ob den Angaben unterschiedliche Trocknungsverfahren, Temperaturniveaus oder Systemgrenzen zugrunde liegen. Fraunhofer veröffentlicht bislang auch keine absoluten Verbrauchswerte, mit denen sich der Höchstwert nachvollziehen ließe.
Die Grundtechnik ist nicht neu
Die Trocknung mit überhitztem Wasserdampf ist bereits seit Jahren bekannt. Das Fraunhofer IGB präsentierte 2012 eine kontinuierliche Anlage für Lebensmittel, die ebenfalls bei Atmosphärendruck arbeitete. Damals gab das Institut eine Energieeinsparung von bis zu 50 % gegenüber der Heißlufttrocknung an.
Der neue Ansatz liegt daher nicht im Heißdampf allein. Entscheidend ist die Kombination mit der mehrstufigen Brüdenverdichtung, der Weiterentwicklung für die Sprühtrocknung von Kieselsäure und der vorausschauenden Steuerung. Ob sich damit im industriellen Dauerbetrieb tatsächlich Einsparungen von bis zu 80 % erreichen lassen, müssen die Pilotanlage und das geplante Skalierungskonzept noch zeigen.
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