Relevante Energieformen
Endenergieform | Nutzenergieform | Nebenenergieform(en) |
Mechanische Energie aus Motor | Druckluft | Wärme |
Kurzbeschreibung
Turboverdichter sind Strömungsmaschinen. Die Druckluft wird dadurch erzeugt, indem die Luft durch ein oder mehrere mit Schaufeln versehene Laufräder beschleunigt wird. Im Anschluss wird die Strömungsenergie im Laufrad, im Diffusor, im Spiralgehäuse oder an den Schaufeln feststehender Leitapparate in Druck umgewandelt.
Turboverdichter liefern niedrige Verdichtungsenddrücke bei großen Volumenströmen.
Folgende Arten von Turboverdichter gibt es auf dem Markt, die nach der Strömungsrichtung der Luft unterschieden werden:
- Axialverdichter
- Radialverdichter
- Verbundbauarten aus Axial- und Radialverdichtern
Verdichter können aus Stahl oder Aluminium hergestellt werden.
In der folgenden Tabelle wird auf die Kennzahlen der am häufigsten genutzten Verdichtertarten in der Produktion eingegangen.
Funktionsskizze
Berechnung des Umwandlungswirkungsgrades, typische Werte
Der Wirkungsgrad von Turboverdichtern ist sehr hoch. Jedoch hängt dieser auch vom Anwendungsbereich der Druckluft ab. Die wichtigsten Kennzahlen sind der Verdichterenddruck in bar und der erzeugte Volumenstrom in m³/h. Folgende Parameter beeinflussen den Wirkungsgrad: Luftqualität, Temperatur der geforderten Luft, Möglichkeit der Wärmerückgewinnung.
Betriebs-Charakteristika
Bauart | Axialverdichter | Radialverdichter |
Typische Lastprofile | Kontinuierlich, konstant | Kontinuierlich, konstant |
Maximale Schalthäufigkeiten | Fast unbegrenzt möglich ++ |
Fast unbegrenzt möglich ++ |
Typische Anfahrzeiten | Sehr kurz ++ |
Sehr kurz ++ |
Mindestlaufzeiten | ||
Regelbarkeit | Volumenstrom lässt sich gut regulieren durch Drehzahlregelung, dagegen eingegrenzter Druckregelbereich +/o |
Volumenstrom lässt sich gut regulieren, dagegen eingegrenzter Druckregelbereich +/o |
Weitere Betriebscharakteristika |
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Energetische Kennwerte
Bauart | Axialverdichter | Radialverdichter |
Verfügbare Leistungsklassen | Maximaldruck: 8 bar (einstufig) mehrstufig extrem hohe Drücke möglich bis 200bar, aber Volumenstrom nimmt dabei ab minimaler Volumenstrom: 3.600 m³/h Motornennleistung: |
Maximaldruck: 34 bar
minimaler Volumenstrom: 180 m³/h Motornennleistung: |
Wirkungsgrad in Abhängigkeit der Auslastung | Guter Wirkungsgrad bei großen Volumenströmen + |
Guter Wirkungsgrad bei großen Volumenströmen + |
Nutzbarer Anteil der Verlustleistung | Wärmerückgewinnung, da bei Herstellung der Druckluft viel Wärme entsteht und diese sonst verloren geht (Wärmeverlust) | |
Weitere energetische Kennwerte | Welche Ausgangstemperatur darf die ausgestoßene Druckluft haben? Wie viel Kühlung wird während des Prozesses benötigt? Wird die Druckluft gleich verwendet oder muss sie gespeichert werden? |
Wirtschaftliche Kennwerte
Bauart | Axialverdichter | Radialverdichter |
Investkosten/kW | Druckluftkompressoren | |
Platzbedarf | Klein: 2,9 x 1,8 x 2,6 m (L x B x H) Groß: 4,6 x 2,2 x 2,3 m (L x B x H) Gewicht: 4.550-13.100 kg Gering für die Größe des Volumenstroms, jedoch wesentlich größer als ein Verdrängerverdichter, da sehr aufwändige Kühlung nötig +/o |
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Wartungs- und Instandhaltungskosten / kWh | Wartung und Instandhaltung aufwändig und teuer, da aus vielen Einzelteilen bestehend. Muss durch Fachpersonal/Hersteller repariert werden. – |
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Typische Lebensdauer / h | Keine genaue Angabe bei Hersteller, außer lange Lebensdauer + |
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Weitere wirtschaftliche Kennwerte | Wärmerückgewinnung möglich, z. B. zum Heizen (Einsparung von Heizkosten) |
Technologische Kennwerte
Bauart | Axialverdichter | Radialverdichter |
Ökobilanz | Keine Ölkühlung, guter Wirkungsgrad, jedoch hohe Abwärme (Wasser-, Luftkühlung) +/o |
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Gefährdungspotenzial | Keines vorhanden | |
Systemkomplexität | Hoch, nicht einfach zum selbst reparieren geeignet – |
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Weitere technologische Kennwerte | Druckluftqualität (welcher Anspruch wird gefordert: ölfrei, staubfrei) |
Subjektive Technologie-Portfolio-Analyse
Technologieattratktivität | Industrielle Umsetzbarkeit | Umsetzbarkeit | Ist es technisch denkbar, diese Technologie zur Bereitstellung von Energieflexibilität einzusetzen? (Grün = Ja, Gelb = Ggf., Rot =Nein) | |
Komplexität | Wie komplex wäre der Einsatz dieser Technologie zur Bereitstellung von Energieflexibilität? (Grün = einfach, Gelb = eher komplex, Rot = sehr komplex oder nicht möglich) | |||
Anwendbarkeit bei Industriepartnern | Wäre eine Flexibilisierung solcher Anlagen bei Industriepartnern direkt möglich? (Grün = Ja, Gelb=Nur mit größeren Umbaumaßnahmen, Rot = Nein) | |||
Einsatzhäufigkeit und Verbreitung | Energetischer Impact | Hat die Technologie typischerweise einen bedeutenden Anteil am Strombedarf eines Fabrikbetriebes? (Grün = Tendenziell ja, Gelb = eher nicht, Rot = Nein (weil z.b. andere Energieträger)) | ||
Verbreitung in Deutschland | Wie ist der Verbreitungsgrad der Technologie in Deutschland einzuschätzen? (Grün = hoch, Gelb = mittel, Grün = niedrig) | |||
Umrüstaufwand und Integration | Technology Readiness Level | Wie weit ist die Technologie entwickelt? (Grün = TRL 7-9 Gelb = TRL 4-6, Rot = 1-3) | ||
Grad der Prozessentkopplung | Wie stark beeinflusst die Anlage in der Regel den Hauptprozess? (Grün = Zwischen der Anlage und dem Hauptprozess befindet sich i.d.R. ein Speicher oder Netz, Gelb = Anlage ist tendentiell nahe am Prozess verbaut, Rot = Anlage hat i.d.R. direkt Einfluss auf den Prozess) | |||
Möglichkeit des Energieträgerwechsels | Ist ein Energieträgerwechsel möglich? (Grün = Ja in der gleichen Anlage, Gelb = Mit einer zweiten Anlage, Rot = Nein) | |||
Umrüstaufwand | Wie wird der Aufwand zur Befähigung der Anlage eingeschätzt? (Grün = niedrig, Gelb = mittel, Grün = noch) | |||
Ressourcenstärke | Übertragbarkeit | Übertragbarkeit | Wie gut lässt sich eine Lösung zur Flexibilisierung dieser Anlage auf andere Anlagen übertragen? (Grün = Technologien sind immer ähnlich aufgebaut, Lösungen sind also übertragbar, Gelb = Keine Aussage möglich, Rot = Sehr Prozessspezifisch bzw. standortspezifisch) | |
Wirtschaftlichkeit | Erschließungskosten der Maßnahme | Wie hoch sind die spezifischen Investitionshöhen (Grün = niedrig (z.B. nur andere Regelungsart), Gelb = mittel, Rot = hoch (z.B. teure zweite Anlage muss installiert werden) | ||
Spezifische Wandlerkosten | Wie hoch sind die spezifischen Speicherkosten (Grün = niedrig, Gelb = mittel, Rot = hoch) | |||
Abrufkosten der Maßnahme | Wie groß ist die Verlustleistung über die Zeit? (Standverluste, Grün = Langzeitspeicher Gelb = Stundenspeicher, Rot = Kurzzeitspeicher) | sehr stark fallabhängig |
Zusammenfassung genereller Vor- und Nachteile
Vorteile
- Gut geeignet für hohe Volumenströme
- hoher Druck nur möglich, wenn mehrere Turboverdichter hintereinander geschalten werden
Nachteile
- Empfindlich gegenüber verschmutzter Ansaugluft
- Hoher Überwachungsaufwand
Anwendungsbeispiele
- als Prozessluft bei Trocknung und Kühlung
- als Hochofen- und Stahlwerksgebläse
- in Gasturbinen
Literaturverzeichnis
- Atlas Copco Kompressoren und Drucklufttechnik GmbH ( 2009): Handbuch der Drucklufttechnik. 7. Auflage, Essen
- BOGE KOMPRESSOREN: Onlinekompendium, 3. Drucklufterzeuger, aufgerufen am 26.07.2019
- Energieagentur NRW: Störungsfreie, kostengünstige & energieeffiziente Bereitstellung, aufgerufen am 26.07.2019
- Mohrig, W. (1988): Druckluft-Praxis: Erzeugen – aufbereiten – verteilen – anwenden. Gräfelfing/München: Resch