Auslegung getriebeloser Mikrokompander zur Effizienzsteigerung durch Kopplung von Dampf- und Druckluftnetzen

Stipendiatin/Stipendiat: Markus Wäsker

Trotz ambitionierter Ziele im Bereich der Energieeffizienz stagniert der Stromverbrauch in Deutschland seit mehreren Jahren auf dem Niveau des Jahres 2008. Deswegen ist eine Fokussierung auf neue innovative Technologien im Bereich der Energieeffizienzoptimierung notwendig. Im Rahmen dieses Promotionsvorhabens werden getriebelose Mikrokompander im Leistungsbereich 150-500 kW zur Halbierung der CO2-Emissionen und des Primärenergieeinsatzes in der Drucklufterzeugung ausgelegt und optimiert sowie ökonomisch und ökologisch untersucht.

In der Industrie werden für diverse Applikationen Dampfnetze benötigt. Sie beinhalten häufig Dampfschienen mit verschiedenen Druckniveaus, wobei die Druckreduzierung zwischen zwei Druckniveaus vorwiegend durch Drosselung erfolgt. Zeitgleich ist der Bedarf an Druckluft in diesen Industrieunternehmen hoch. Im Promotionsvorhaben werden nun diesen beiden Gegebenheiten miteinander gekoppelt: Die bisher energetisch ungenutzte Drosselung der Druckdifferenzen in Dampfnetzen wird in Dampfturbinen zum direkten Antrieb eines Druckluftverdichters verwendet. Diese gekoppelte Maschine wird auch Kompander genannt. In hohen Leistungsbereichen (mehrere Megawatt mechanischer Leistung) sind solche Applikationen bereits etabliert; im Leistungsbereich unter 1.000 kW dagegen - trotz der hohen ökologischen Relevanz und den häufig anzutreffenden Anwendungsfällen ‑ nicht vorhanden. Kleine und mittlere Unternehmen haben somit nicht die Möglichkeit, ihre Dampfnetze ökologisch zu nutzen.

Der Vorteil des Einsatzes von Kompandern besteht in der Reduktion der Verluste in den Energieumwandlungsketten. Anstelle der Nutzung von elektrischer Energie aus dem Stromnetz zum Antrieb des Elektromotors eines Druckluftverdichters wird durch die direkte Kopplung von Turbine und Verdichter die Energieumwandlung wesentlich vereinfacht. Nach einer selbst durchgeführten Voruntersuchung können getriebelose Mikrokompander im Vergleich zu Kompressoren, die aus dem Stromnetz gespeist werden, den Primärenergieaufwand um 56 % und die CO2-Emissionen um 58 %  senken. Aus der Anzahl der installierten Dampfkessel in Deutschland kann ein Marktpotenzial von ca. 6500 Mikrokompandern hergeleitet werden, wobei hauptsächlich auch kleine und mittlere Industrieunternehmen den Mikrokompander einsetzen können. Bei vollständiger Marktdurchdringung ergibt sich daraus ein erhebliches Einsparungspotenzial von jährlich ca. 2.400.000 t CO2.

Aktuelle Veröffentlichungen zeigen andererseits, dass die Nutzung von Dampfturbinen zur Generierung von Antriebsenergie derzeit nur im Megawatt-Bereich ökonomisch empfohlen wird, obgleich der Direktantrieb mittels Dampfturbine dem Elektromotor unter ökologischen Gesichtspunkten in allen Fällen deutlich überlegen ist.

Damit Mikrokompander in der Industrie eingesetzt werden, müssen diese deshalb neben einer hohen Effizienz auch niedrige Investitions- und Betriebskosten aufweisen. Hierzu ist eine einfache kompakte Bauform notwendig, die in dem Promotionsvorhaben adressiert werden soll. Damit in diesem Fall ein hoher Wirkungsgrad erreicht werden kann, müssen Turbine und Verdichter speziell für hohe Drehzahlen entwickelt und aufeinander angepasst werden. Gelingt diese Entwicklung, so zeigen die Voruntersuchungen, dass Amortisationszeiten dieser Mikrokompander von unter drei Jahren realisierbar sind. Dadurch entfällt seitens der Industrieunternehmen eine entscheidende ökonomische Restriktion und das enorme ökologische Potenzial kann gehoben werden.  

Zugeschnitten auf die genannten Anforderungen und Anwendungsfälle wird im Rahmen der Promotion ein Programm zur Auslegung der Mikrokompander entwickelt und dazu verwendet, um Mikrokompander im adressierten Leistungsbereich 150-500 kW und somit für KMU auszulegen. Um das Auslegungsprogramm zu kalibrieren, werden CFD- und FEM-Untersuchungen des ausgelegten Maschinenportfolios durchgeführt. Abschließend wird dann ein derart designter Mikrokompander ökologisch und ökonomisch bewertet.

Förderzeitraum:
01.07.2018 - 30.06.2021

Institut:
Ruhr-Universität Bochum - Lehrstuhl für Thermodynamik
Bereichsleiter Energie - Fraunhofer Umsicht Oberhausen

Betreuer:
Prof. Dr. Christian Doetsch

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