Projekt 11696/01

Rückgewinnung von Abwärme aus Brüden mit Hilfe eines offenen Wärmetransformationsprozesses

Projektdurchführung

Martin-Luther-Universität Halle-WittenbergFachbereich VerfahrenstechnikInstitut für UmwelttechnikAbt. Energietechnik
Geusaer Str., Geb. 132
06217 Merseburg

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Ziel des Vorhabens ist es, einen offenen Sorptionskreisprozeß zur Wärmerückgewinnung aus verunreinigten Brüden mit hohem Inertgasanteil zur Emissionsverminderung unter industriellen Bedingungen in einer Versuchsanlage zu erproben. Dabei kann die latente Wärme durch den Einsatz hygroskopischer Lösungen mit Temperaturen über dem Taupunkt des Brüden zurückgewonnen werden. Im Rahmen des beantragten Vorhabens soll ein neuartiges Verfahren erprobt werden, das es erlaubt, ein Vielfaches der Wärme, die mit einfachen offenen Sorptionskreisläufen zurückgewonnen werden kann, aus dem Brüden auszukoppeln. Somit bietet die technische Realisierung des Verfahrens die Möglichkeit, erhebliche Mengen an Primärenergie einzusparen. Die im Rahmen der experimentellen Untersuchungen gewonnenen Erfahrungen und Messdaten sollen die Basis zur Auslegung von Industrieanlagen bilden.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenMit Hilfe eines Sorptions-Wärmepumpen-Kreisprozesses soll der Anteil der aus dem Brüden zurückgewinnbaren Kondensationswärme gegenüber Sorptionskreisläufen erhöht werden. Das ist durch eine tiefere Auskühlung der Abluft möglich, wenn gleichzeitig die zusätzlich gewinnbare Wärme mit Hilfe eines Transformationsprozesses aufgewertet wird. Dazu wird im Sorptions-Wärmepumpen-Kreisprozess mit einer Hilfsenergie aus einem Teilstrom der Waschflüssigkeit Dampf bei höherem Druck desorbiert. Zusammen mit der im Wärmeübertrager ausgekoppelten fühlbaren Wärme steht damit für die Aufheizung des Wärmeträgers mehr Wärme zur Verfügung.
Zunächst erfolgte die Auslegung der neuen Komponenten sowie der Umbau der Versuchsanlage. Parallel dazu wurde mit der Erstellung eines Modells zur Bestimmung der Prozessparameter des Verfahrens zur Wärmerückgewinnung begonnen. Aus den ersten experimentellen Untersuchungen wurde ein Rechenprogramm entwickelt, das die Simulation und Optimierung von Industrieanlagen zulässt.


Ergebnisse und Diskussion

Die durchgeführten experimentellen Untersuchungen bestätigten, dass es durch die Integration einer Wärmetransformationsstufe in die Versuchsanlage, d.h. durch den Übergang vom Sorptionskreislauf zum Sorptionskreisprozess möglich ist einen bedeutend größeren Anteil der Brüdenabwärme energetisch nutzbar zu machen. Für die Bereitstellung von 80 grädigem Heißwasser konnte bei einer zugeführten Desorberheizleistung von 25 kW bei der Lindavia Fruchtsaft AG eine Gesamtwärme von ca. 145 kW aus dem Brüden zurückgewonnen werden. Dies entspricht einer Steigerung von ca. 50 % im Vergleich zum Sorptionskreislauf. Diese Steigerung ist durch eine verbesserte Brüdenauskühlung und der daran gekoppelten höheren Brüdenentfeuchtung möglich. Während bei Einsatz eines Sorptionskreislaufes die Brüdenentfeuchtung bei ca. 25 % liegt, sind bei den durchgeführten Versuchen Entfeuchtungen von ca. 40 % erzielt worden. Die berechneten Wärmeverhältnisse lagen zwischen e 5,8 - 7,7 bei der Lindavia Fruchtsaft AG. Durch die vergleichsweise ungünstigeren Bedingungen bei der Malzfabrik Landsberg GmbH sank das erzielbare Wärmeverhältnis bei diesen Versuchen auf e 1,5.Das für die Simulation und Optimierung von Industrieanlagen erstellte Rechenprogramm liefert mit der Praxis gut übereinstimmende Ergebnisse.
Die ökonomische Bilanzierung ergab, dass die Amortisationszeiten für Sorptionskreisprozesse im Bereich zwischen 1,3 und 5 Jahren liegen. Als entscheidender Einflussfaktor ist hierbei die Volllaststundenzahl anzusehen. Die Aufwendungen für den Transformationsteil sind mit einem Anteil von ca. 10 % an den Gesamtkosten der Anlage gering. Kann die Anlage über die Wärmerückgewinnung hinaus zu einer Abgasreinigung beitragen, ergeben sich weitere ökonomische und auch ökologische Vorteile.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Die Ergebnisse der Untersuchungen zu Sorptionskreisprozessen werden durch Veröffentlichungen in Fachzeitschriften (VDI-Fortschrittsberichte), Messepräsentationen (z. B. TerraTec Leipzig, März 2001), Kolloquia und Vorträge dem interessierten Fachpublikum vorgestellt. Des Weiteren können Informationen zu Sorptionskreisprozessen über die Internetseiten der Universität abgerufen werden (htttp://www.iw.uni-halle.de/ewi/master.html) Für die Umsetzung der Forschungsergebnisse besteht eine enge Kooperation der Universität mit der BHF - Verfahrenstechnik GmbH als Hersteller von Modulen zur Hochtemperatur-Brennwerttechnik für Heizkessel und BHKWs. Für die Entwicklung und industrielle Umsetzung dieses Verfahrens wurden Mitarbeiter der Universität Halle-Wittenberg und der BHF-Verfahrenstechnik GmbH mit dem Wissenschafts- und Technologiepreis der Universität ausgezeichnet.
Eine erste Industrieanlage für die Abgaswärmenutzung mit Hilfe eines offenen Sorptionskreisprozesses wurde im November/Dezember 2000 im Botanischen Garten der Stadt Frankfurt/Main aufgebaut und in Betrieb genommen.


Fazit

Die in diesem Projekt erzielten Ergebnisse bestätigen, dass es mittels Sorptionskreisprozessen möglich ist, die Brüdenabwärme im Vergleich zu Sorptionskreisläufen beträchtlich zu steigern. Die dafür erforderliche Antriebswärme stellt dabei keinen zusätzlichen energetischen Aufwand dar, da sie anderenfalls für die entsprechende Heizaufgabe direkt genutzt werden würde. Durch den Vorteil der Sorptionskreisprozesse die Brüdenabwärme auf ein entsprechend hohes Nutztemperaturniveau transformieren zu können, ergibt sich für die Sorptionskreisprozesse ein weites industrielles Anwendungsfeld. Zur Senkung der notwendigen Investitionen sollten sich weitere Forschungsanstrengungen auf die Verringerung der Apparategrößen konzentrieren.