Trocknung von Heil- und Gewürzpflanzen 2. Neue Ergebnisse aus Forschung und Praxis

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1 Thomas Ziegler, Jochen Mellmann Trocknung von Heil- und Gewürzpflanzen Neue Ergebnisse aus Forschung und Praxis Fachseminar des ÖKOPLANT e.v. Förderverein ökologischer Arznei- und Gewürzpflanzenanbau Altenkirchen/Westerwald, 27. Januar 2012 ÜBERSICHT Einleitung Kombiniertes Trocknungsverfahren Trocknungsanlagen in Rockendorf (2007) und Nöbdenitz (2010) Gegenwärtige Forschungsschwerpunkte Entwicklung von energieoptimierten Regelungskonzepten Nachweis von Energieeinsparungen in der Praxis Teilumluftbetrieb bei konventioneller Lufterwärmung Grundlagen und Ergebnisse der theoretischen Analysen Auswertung messtechnischer Untersuchungen (Rockendorf) Teiloffener Betrieb bei Trocknung mit Wärmepumpen Unterschiedliche Betriebsvarianten (Nöbdenitz) Simulationsergebnisse und Praxismessungen Zusammenfassung & Schlussfolgerungen Trocknung von Heil- und Gewürzpflanzen 2

2 Konventionelle Flächentrocknung Hohe Schlagkraft für große Anbauflächen Unverzügliche Trocknung ohne Zwischenlagerung Gute Qualität durch niedrige Trocknungstemperaturen Geringer Arbeitskräftebedarf Unkompliziertes Verfahren für unterschiedlichste Produkte Bisher hoher spez. Energiebedarf 8,5-12,5 MJ / kg Wasser bzw. 0,9-1,4 Liter Öl / kg Trockenware Großes Optimierungspotenzial insbesondere in den östlichen BL Trocknung von Heil- und Gewürzpflanzen 3 Flächentrocknung mit Wärmepumpen Varianten der Luftführung (Auswahl) V V K T K T Offener Betrieb Geschlossener Betrieb V V K T K T Halboffener Betrieb Geschlossener Betrieb mit WRG K = Kondensator, T = Trockner, V = Verdampfer, WRG = Wärmerückgewinnung Trocknung von Heil- und Gewürzpflanzen 4

3 Rockendorf: 2 Wärmepumpen für 6 Trocknungsroste Agrarprodukte Ludwigshof e.g. (2007) Trocknung von Heil- und Gewürzpflanzen 5 Rockendorf: Bewirtschaftung ohne Umlagerung WP 1 WP 2 Gas Gas Gas Gas # 1 # 2 # 3 # 4 # 5 # 6 Durchfahrt Trocknung von Heil- und Gewürzpflanzen 6

4 Rockendorf Boxensystem mit 2 Wärmepumpen Belegung mit Kamille (Blüten) Belegung mit Melisse (Ganzpflanzen) Trocknung von Baldrian (Wurzeln) Trocknung von Heil- und Gewürzpflanzen 7 WP-Trocknung mit Wärmerückgewinnung Geschlossener Betrieb im Mollier h,x-diagramm Enthalpy h / Temperature T Drying temp. h rec Dew point temp. ϕ = 100 % h C x 2 3 h = const. h E h rec 1 - Zuluft 2 - Abluft 3 - Vorkühler 4 - Verdampfer 5 - Vorwärmer Humidity ratio x Trocknung von Heil- und Gewürzpflanzen 8

5 Interne Wärmerückgewinnung (WRG) Vorkühlung der Trockner-Abluft => Sinkende Leistung des Kältemittel-Verdichters Trockner-Abluft interne WRG Ventilator Trockner- Zuluft Verdichter Kondensator Verdampfer Trocknung von Heil- und Gewürzpflanzen 9 ATB Wärmepumpentrockner Versuchstrockner (1.500 m³/h) mit Wärmerückgewinnung Trocknung von Heil- und Gewürzpflanzen 10

6 Experimenteller Nachweis Energieeinsparung 10 Beispiel: Trocknung von Kamilleblüten PEB (MJ/kg Wasser) h 24 h ohne WRG 30 h Einsparung Verlauf der Trocknung 21 h 18 h 12 h 24 h mit WRG 21 h 18 h 12 h COP* ε* = 4,0 RWZ = = 0,74 0, Wasserentzug (g/kg Luft) PEB = Spezifischer Primärenergiebedarf WRG = Wärmerückgewinnung ε* = Leistungszahl Kältemaschine RWZ = Rückwärmzahl Trocknung von Heil- und Gewürzpflanzen 11 Nöbdenitz: 2 Wärmepumpen mit Wärmerückgewinnung Agrargenossenschaft Nöbdenitz e.g. (2010) Trocknung von Heil- und Gewürzpflanzen 12

7 Nöbdenitz: Bewirtschaftung mit Umlagerung WP 1 WP 2 WÜ WÜ WÜ BHKW # 1 WP # 2 WP # 3 Gas # 4 Gas # 5 Gas Durchfahrt Trocknung von Heil- und Gewürzpflanzen 13 Nöbdenitz Halle mit separatem Wärmepumpen-Rost Anlieferung (Wärmepumpen-Rost) Belegung (Wärmepumpen-Rost) Umlagerung (konventionelle Roste) Trocknung von Heil- und Gewürzpflanzen 14

8 Individuell unterschiedliche Anlagenkonzepte Inbetriebnahme Rostfläche gesamt Anzahl Roste Primäres Produkt Trocknungszeit Umlagerung Bewirtschaftung Wärmepumpen Gasheizung BHKW Abluftnutzung Teilumluftbetrieb Rockendorf Neubau m² 2 x 3 Kamilleblüten ca. 3 Tage NEIN Kranbahn ohne WRG dezentral Biogas (2010) benachbarte Roste JA Nöbdenitz 2010 Umbau 330 m² Krautdrogen ca. 4 Tage JA Teleskoplader mit WRG zentral Erdgas Halle 2 NEIN Trocknung von Heil- und Gewürzpflanzen 15 GEGENWÄRTIGE FORSCHUNGSSCHWERPUNKTE Optimierung des kombinierten Trocknungsverfahrens Trocknung mit Wärmepumpen Trocknung mit konventioneller Lufterwärmung Simulation unterschiedlicher Betriebsvarianten Veränderliche Luftzustände Teiloffener Betrieb (WP-Trocknung) Teilumluft-Betrieb (konventionelle Trocknung) Entwicklung von energieoptimierten Regelungskonzepten Nachweis von Energieeinsparungen in der Praxis WP-Trocknung mit Wärmerückgewinnung BHKW-Abwärmenutzung Trocknung von Heil- und Gewürzpflanzen 16

9 TEILUMLUFTBETRIEB bei konventioneller Lufterwärmung Motivation Stark veränderliche Luftzustände Optimale Nutzung des Trocknungspotenzials der Außenluft Thermodynamische Grundlagen Luftmischung im Mollier h,x-diagramm Trocknung im Teilumluftbetrieb Wasserentzug und spezifischer Energiebedarf Messergebnisse aus der Praxis Beispiel: Kamilletrocknung in Rockendorf Einsparungen durch Teilumluft Abluft und Frischluft müssen berücksichtigt werden Trocknung von Heil- und Gewürzpflanzen 17 Luftmischung im Mollier h,x-diagramm Temperatur ( C) FL % Erwärmung ML 40 ZL % Mischung Trocknung % Gesamtdruck: 1000 mbar Wassergehalt (g/kg) AL 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% FL = Frischluft ZL = Zuluft AL = Abluft ML = Mischluft Trocknung von Heil- und Gewürzpflanzen 18

10 Trocknung im Teilumluftbetrieb (Beispiel) 10% 20% 30% 40% Temperatur ( C) ZL 40 C Frischluft-Betrieb FL 18 C ZL 40 C Gesamtdruck: 1000 mbar Wassergehalt (g/kg) AL ML 28 C Teilumluft-Betrieb Umluftanteil = 75 % AL 50% 60% 70% 80% 90% 100% FL = Frischluft ZL = Zuluft AL = Abluft ML = Mischluft Trocknung von Heil- und Gewürzpflanzen 19 Stark veränderliche Luftzustände Abluft Chargenweises Trocknungsverfahren Temperatur steigt, relative Feuchte sinkt "Frischluft" Schwankt erheblich (Tag/Nacht, saisonal) Teilweise Abluft von anderen Trocknern Mischluft Beeinflusst Zuluft und Abluft Bestimmt Wasserentzug und Energiebedarf Optimaler Umluftanteil Hängt ab von Abluft und "Frischluft" Sollte im Verlauf der Trocknung steigen Trocknung von Heil- und Gewürzpflanzen 20

11 Messergebnisse I (exemplarisch) Kamilletrocknung Juli Temperatur ( C) FL ZL ML AL :00 Uhr Zeit (h) FL = Frischluft ZL = Zuluft AL = Abluft ML = Mischluft (errechnet) Trocknung von Heil- und Gewürzpflanzen 21 Messergebnisse II Kamilletrocknung Juli Relative Feuchte (%) FL ML ZL AL :00 Uhr Zeit (h) FL = Frischluft ZL = Zuluft AL = Abluft ML = Mischluft (errechnet) Trocknung von Heil- und Gewürzpflanzen 22

12 Wasserentzug und Umluftanteil Kamilletrocknung Juli 2010 Wasserentzug (g/kg Luft) Wasserentzug Umluftanteil Umluftanteil (%) :00 Uhr Zeit (h) Trocknung von Heil- und Gewürzpflanzen 23 Heizleistung mit/ohne Teilumluft Kamilletrocknung Juli Heizleistung (kw) Frischluft-Betrieb (hypothetisch) Teilumluft-Betrieb (real) :00 Uhr Zeit (h) Frischluft-Betrieb hypothetisch gleiche Temperatur der Zuluft Teilumluft-Betrieb real (gemessen) Energieeinsparungen am Tag Trocknung von Heil- und Gewürzpflanzen 24

13 Einsparung durch Teilumluft Kamilletrocknung Juli 2010 Heizwärme (MWh) Frischluft-Betrieb (hypothetisch) Teilumluft-Betrieb (real) Erdgas BHKW 141 % 100 % 49 % 45 % :00 Uhr Zeit (h) Trocknung von Heil- und Gewürzpflanzen 25 ZUSAMMENFASSUNG TEILUMLUFTBETRIEB bei konventioneller Lufterwärmung Theoretische Untersuchungen Abluft und Frischluft müssen berücksichtigt werden Jeweils optimaler Umluftanteil berechenbar Normiertes Trocknungspotenzial der Abluft ermöglicht energieoptimierte Regelung Messungen in der Praxis Energieeinsparungen nachgewiesen selbst bei günstigen Witterungsbedingungen Frischluft in der Regelung bisher noch nicht berücksichtigt Weitere Optimierungspotenziale Ausblick Trocknungsanlagen ausstatten mit geeigneter MSR-Technik Ergebnisse übertragbar auf andere Trocknungsverfahren Trocknung von Heil- und Gewürzpflanzen 26

14 TEILOFFENER BETRIEB bei Trocknung mit Wärmepumpen Motivation Effizienzsteigerung der Flächentrocknung Energieoptimierte Regelung erforderlich Optimale Nutzung des Trocknungspotenzials der Außenluft Unterschiedliche Betriebsvarianten Geschlossener Betrieb Teiloffener Betrieb Regelung der Zuluft-Temperatur Modellierung und Simulation des Wärmepumpentrockners Praxismessungen (Nöbdenitz) Simulationsergebnisse Energieeinsparungen durch teiloffenen Betrieb Trocknung von Heil- und Gewürzpflanzen 27 Geschlossener und teiloffener Betrieb im Mollier h,y-diagramm 7 1 Zuluft 2 Abluft 3 vorgekühlte Luft 4 nach Verdampfer 5 vorgewärmte Luft 0 Frischluft 6 Mischluft 7 nach Verflüssiger Trocknung von Heil- und Gewürzpflanzen 28

15 Temperaturen im Verlauf der Trocknung (geschlossener Betrieb) nach Verflüssiger (7) Abluft (2) nach Vorwärmer (5) nach Vorkühler (3) nach Verdampfer (4) Trocknung von Heil- und Gewürzpflanzen 29 Gütegrad der Wärmerückgewinnung (WRG) steigt im Verlauf der Trocknung hier: % Trocknung von Heil- und Gewürzpflanzen 30

16 Entfeuchtungsleistung & Spez. Energiebedarf MER ist größer im teiloffenen Betrieb SEC ist kleiner als im geschossenen Betrieb MER = moisture extraction rate / Entfeuchtungsleistung SEC = specific electrical energy consumption / spez. elektrischer Energiebedarf Trocknung von Heil- und Gewürzpflanzen 31 Modellierung des Wärmepumpentrockners Möglichst einfaches Simulationsmodell Kreuzstrom-Wärmeübertrager Verdampfer Luftzustände im h,x-diagramm Variation der Betriebsbedingungen Zulufttemperatur konstant Abluft Gütegrad WRG Verdampfer Verdichter Frischluft Frischluftanteil Zuluft Abluft Systematische Iterationsrechnungen Beispielhafte Ergebnisse Frischluftanteil im teiloffenen WP-Betrieb Spez. Primärenergiebedarf (SPC) für drei Betriebsvarianten (teiloffen, geschlossen, konventionell) Trocknung von Heil- und Gewürzpflanzen 32

17 Spezifischer elektrischer Energiebedarf (Messung und Simulation) Course of drying SEC = specific electrical energy consumption / spez. elektrischer Energiebedarf Trocknung von Heil- und Gewürzpflanzen 33 Veränderliche Luftzustände (Messung und Simulation) Trocknung von Heil- und Gewürzpflanzen 34

18 Spezifischer Primärenergiebedarf I bei 23 C Außentemperatur SPC = specific primary energy consumption / spez. Primärenergiebedarf Trocknung von Heil- und Gewürzpflanzen 35 Spezifischer Primärenergiebedarf II bei 33 C Außentemperatur SPC = specific primary energy consumption / spez. Primärenergiebedarf Trocknung von Heil- und Gewürzpflanzen 36

19 ZUSAMMENFASSUNG TEILOFFENER BETRIEB bei Trocknung mit Wärmepumpen Untersuchung unterschiedlicher Betriebsvarianten Praxismessungen, Simulationsrechnungen (Nöbdenitz) Nachweis der Effizienzsteigerung: Wärmerückgewinnung Teiloffener Betrieb Anlagen- und regelungstechnische Implementierung (WP1) Systematische Analyse aller relevanten Betriebsbedingungen Einfaches Simulationsmodell für komplexe Zusammenhänge Einsparungen durch teiloffenen Betrieb ca. 20% (witterungsabhängig) Energieoptimierte Regelung ermöglicht weitere Verbesserung auch bereits effizienter Systeme Trocknung von Heil- und Gewürzpflanzen 37 ZUSAMMENFASSUNG & SCHLUSSFOLGERUNGEN Wärmepumpen + konventionelle Lufterwärmung Interne Wärmerückgewinnung BHKW-Abwärmenutzung Bis zu 50 % Energieeinsparung realisierbar Energieoptimierte Regelung Berücksichtigung veränderlicher Witterungsbedingungen Teilumluftbetrieb / Abluftnutzung Übertragung der Ergebnisse auf andere Trocknertypen Individuelle Anlagenkonzepte In Kooperation mit den Betreibern Logistik der Bewirtschaftung Trocknungskosten entscheiden über wirtschaftliche Effizienz Trocknung von Heil- und Gewürzpflanzen 38