Energieeffizienz wärmepumpenunterstützter Trocknungsanlagen

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1 Thomas Ziegler Hasan Jubaer Energieeffizienz wärmepumpenunterstützter Trocknungsanlagen 17. Brandenburger Energietag 03. September 2015 BTU Cottbus-Senftenberg Übersicht ATB Arbeitsgruppe Trocknung Anwendungsorientierte Grundlagenforschung Modellbasierte Entwicklung & Optimierung Überführung von Forschungsergebnissen in die Praxis Energieeffiziente Trocknungsverfahren Chargenweise Flächentrocknung von Arzneipflanzen Kontinuierlich Bandtrocknung pflanzlicher Lebensmittel Trocknungsprozess Energieeffizienz & Produktqualität Integration von Wärmepumpen Demonstrationsprojekte Industrielle Fallstudien Betriebsspezifische Lösungen erforderlich Energieeffizienz wärmepumpenunterstützter Trocknungsanlagen 2

2 ATB Arbeitsgruppe Trocknung Personal & Ausstattung 6 Wissenschaftler 4 Techniker Trocknungstechnikum Trocknungslabor Forschungsschwerpunkte & Methoden Energieeffizienz von Trocknungsverfahren chargenweise z.b. Arzneipflanzen kontinuierlich z.b. Getreide Modellbasierte Entwicklung & Optimierung Trocknungsprozesse: eigene Modelle Strömung: Computational Fluid Dynamics (CFD) Schüttgut: Discrete Element Method (DEM) Trocknerdesign & Wärmerückgewinnung Energieoptimierte Regelung & Automatisierung Kooperation Universitäten & Forschungseinrichtungen Industrielle Partner CFD-Simulation Bandtrockner Dächerschachtrockner Energieeffizienz wärmepumpenunterstützter Trocknungsanlagen 3 Chargenweise Flächentrocknung von Arzneipflanzen Trocknungsanlage Rockendorf Inbetriebnahme 7 Neubau mit Boxensystem 2 Wärmepumpen für 6 Roste 30% Einsparung Energiekosten Biogas-BHKW (2010) BHKW = Blockheizkraftwerk Energieeinsparung durch Teilumluft-Betrieb Heizleistung (kw) Frischluft-Betrieb (hypothetisch) Teilumluft-Betrieb (real) Zeit (h) Energieeffizienz wärmepumpenunterstützter Trocknungsanlagen 4

3 Überführung von Forschungsergebnissen in die Praxis Scale-up (Faktor 24) Variabler Versuchstrockner Wärmepumpe mit Wärmerückgewinnung Exakt definierbare Trocknungsbedingungen Kombination Wärmepumpen + BHKW Scale-up: m³/h 2 x m³/h Realisierung primärenergetischer Potenziale Wärmepumpen der Trocknungsanlage Nöbdenitz (Inbetriebnahme 2010 Effizienzsteigerung 2012) Energieeffizienz wärmepumpenunterstützter Trocknungsanlagen 5 25% Effizienzsteigerung durch energieoptimierte Regelung Trocknungsanlage Nöbdenitz Modernisierter Hallenbereich Planung mit Erdgas-BHKW 2 Wärmepumpen mit WRG Neues Regelungsprinzip (2012) 38% Primärenergieeinsparung BHKW = Blockheizkraftwerk WRG = interne Wärmerückgewinnung Regelung der Trocknungstemperatur mit Frischluft MER (kg/h) MER geschlossen SEC geschlossen MER teiloffen SEC teiloffen Zeit (h) MER = moisture extraction rate (Entfeuchtungsleistung) SEC = specific electrical energy consumption (spezifischer elektrischer Energiebedarf) SEC (Wh/kg) Energieeffizienz wärmepumpenunterstützter Trocknungsanlagen 6

4 CORNET-Projekt HP4Drying Distribution of the industry's energy consumption in DK * Integration von Wärmepumpen Konvektive Trocknungsverfahren Unterschiedliche Branchen Vorwettbewerbliche Entwicklung Forschungsansatz Stand der Technik Demonstration (Labor- & Pilotmaßstab) Energieoptimierte Regelung & Automatisierung Technische & wirtschaftliche Machbarkeit Industrielle Fallstudien Schwerpunkte ATB Kontinuierliche Bandtrocknung Arznei- und Gewürzpflanzen * Quelle: Jensen et al. (2010) Energieeffizienz wärmepumpenunterstützter Trocknungsanlagen 7 HP4Drying Projektpartner aus unterschiedlichen Branchen Forschungseinrichtung Trocknungsgüter Anz. KMU Ghent University Diverse 20 + PFI Pirmasens Gärreste und Klärschlamm 5 ATB Potsdam-Bornim Arznei- und Gewürzpflanzen 7 WKI Braunschweig Holz und Holzprodukte 8 IZF Essen Ziegel und Fliesen 7 ITV Denkendorf Textilfasern 6 wfk Krefeld Wäsche 6 Σ 59 + KMU = kleine und mittlere Unternehmen Energieeffizienz wärmepumpenunterstützter Trocknungsanlagen 8

5 Kontinuierliche Bandtrocknung pflanzlicher Lebensmittel Trocknung bestimmt Energieeffizienz & Produktqualität Verfügbare Standardtechnik unzureichend Hohe Feuchtegehalte hoher spez. Energiebedarf Luftverteilung Örtlich ungleichmäßige Trocknung Durchsatz Zeitlicher Verlauf Inhaltsstoffe Farbe mikrobielle Keimzahlen Zahlreiche Produkte produktspezifische Automatisierung Integration von Wärmepumpen anlagenspezifische Lösungen Quelle: Müller & Heindl (1997) Energieeffizienz wärmepumpenunterstützter Trocknungsanlagen 9 Industrielle Fallstudie bei ESG Kräuter GmbH Hamlar 24 h Trocknung (Tag & Nacht) Schneller Transport der geernteten Kräuter max. 1 h zwischen Ernte und Verarbeitung Anbau Ernte Trocknung Reinigung Lagerung Versand alles aus einer Hand ESG Kräuter GmbH Energieeffizienz wärmepumpenunterstützter Trocknungsanlagen 10

6 Anlagenschema Bandtrocknung (ESG Linie 2) 42 C 36 C 46 C max kw 76 C 135 C D3 D2 D1 55 C 50 C 69 C 63 C 116 C 52 C 17 C CHU max kw TO Thermal Oil D1 Predryer 1 Product Stream F Fuel D2 Predryer 2 "Hot" Air Stream FA Fresh Air D3 Main Dryer "Warm" Air Stream EA Environmental Air CHU Central Heating Unit "Cold" Air Stream WA Waste Air Fuel Stream i in Q Thermal Power Energy Stream o out M Mass Flow Thermal Oil Stream L Loss Blower P Product Energieeffizienz wärmepumpenunterstützter Trocknungsanlagen 11 Lufttechnische Analyse zur Integration von Wärmepumpen AL = Abluft FL = Frischluft ML = Mischluft ZL = Zuluft Temperature ( C) HT = Haupttrockner VT2 = Vortrockner 2 VT1 = Vortrockner ZL HT (ESG Linie 2) ZL VT % 80 30% 40% 70 AL HT ML g 50% 60% 60 AL VT2 80% % 50 Dach FL / Dach FL 60 Total pressure: mbar Humidity ratio (g/kg) Rel. humidity 10% Energieeffizienz wärmepumpenunterstützter Trocknungsanlagen 12

7 Zusammenfassung Wärmepumpenunterstützte Trocknungsverfahren Primärenergetische Potenziale Optimierung von COP bzw. Temperaturniveau Produktspezifische Anforderungen der Trocknungsprozesse Berücksichtigung der jeweiligen Infrastruktur Ergebnisse der Fallstudie Bandtrocknung 18 % höherer Durchsatz bei gleicher Luftmenge Höherer Energiebedarf Kombination Wärmepumpe + BHKW Amortisationszeit 38 Jahre Ausblick Erhebliche Effizienzsteigerungen möglich Übertragung der Ergebnisse auf andere Produkte und Verfahren Kooperation mit universitären & industriellen Partnern Energieeffizienz wärmepumpenunterstützter Trocknungsanlagen 13 Vielen Dank Thomas Ziegler Hasan Jubaer Leibniz-Institut für Agrartechnik Potsdam-Bornim e.v. (ATB) Max-Eyth-Allee D Potsdam Tel.: tziegler@atb-potsdam.de Energieeffizienz wärmepumpenunterstützter Trocknungsanlagen 14