Wärmerückgewinnung am Kompressor: bis zu 84 % des Stroms wiederverwendbar
Ein Schraubenkompressor wandelt Strom in Druckluft um… und in Wärme. Diese Wärme macht 80 bis 93 % der verbrauchten Energie aus, und 50 bis 90 % dieser Wärme lassen sich zurückgewinnen, um ein Gebäude oder einen Prozess zu beheizen. Methode und Berechnung.
Der Kompressor ist vor allem ein Wärmewandler
Bei Volllast nimmt ein ölgeschmierter Schraubenkompressor mit 75 kW rund 75 kWh Strom pro Stunde auf, in Wirklichkeit etwas mehr: 75 kW ist die Nennleistung des Motors, und seine Verluste kommen hinzu. Von dieser Energie wird nahezu alles zu Wärme: Die Verdichtungswärme geht in den Ölkühler und den Luftkühler, und die Druckluft verlässt die Maschine abgekühlt. Das ist eine Tatsache der Thermodynamik, kein Mangel der Maschine.
Bei einem luftgekühlten Kompressor wird diese Wärme über die Kühler an die Atmosphäre abgegeben. Bei einem wassergekühlten geht sie in den Kühlkreislauf. In beiden Fällen ist sie ohne Rückgewinnungseinrichtung ein reiner Verlust.
Die gute Nachricht: Laut dem Sourcebook des US-Energieministeriums entspricht die verfügbare Wärme 80 bis 93 % des aufgenommenen Stroms, und eine gut ausgelegte Wärmerückgewinnung gewinnt davon 50 bis 90 % zurück, also 40 bis 84 % des aufgenommenen Stroms, auf einem nutzbaren Temperaturniveau (typischerweise 55 bis 90 °C am Austritt der Rückgewinnungseinheit). Sie ist eines der größten Energieeffizienzpotenziale der Industrie und wird noch weitgehend zu wenig genutzt.
Wenn Sie einen Kompressor über 30 kW haben, der mehr als 4.000 h/Jahr läuft, und in der Nähe einen Wärmebedarf (Brauchwarmwasser, Hallenheizung, Prozessvorwärmung), ist die Wärmerückgewinnung fast immer eine Prüfung wert.
Wo die Wärme anfällt, und bei welcher Temperatur
Die Wärme eines ölgeschmierten Schraubenkompressors lässt sich an drei Stellen abgreifen, auf unterschiedlichen Temperaturniveaus. Wer sie versteht, kann die richtige Rückgewinnungsstrategie wählen.
| Schmieröl (Ölkühler) | 70 bis 90 °C: die heißeste und dichteste Quelle |
|---|---|
| Druckluft (Nachkühler) | 30 bis 50 °C: nur zur Vorwärmung von Brauchwarmwasser nutzbar |
| Abluft der Schallhaube (Belüftung) | 10 bis 20 °C über der Umgebungstemperatur: direkte Hallenheizung |
| Gesamte rückgewinnbare Energie (ölgeschmierte Schraube) | 40 bis 84 % des aufgenommenen Stroms (80 bis 93 % werden zu Wärme, davon 50 bis 90 % rückgewinnbar) |
| Gesamte rückgewinnbare Energie (ölfreie Schraube) | Je nach Kühlung (Luft oder Wasser): der Wärmebilanz des Herstellers zu entnehmen |
Die Hauptquelle ist das Öl: Es transportiert den Großteil der Wärme aus dem Verdichtungsprozess. Auf diesem Kreislauf lässt sich ein Wärmetauscher montieren, ab Werk oder nachträglich.
Drei Technologien, drei Einsatzzwecke
- Luft-Luft (Rückführung der Haubenabluft in die Werkstatt): die einfachste und günstigste der drei. Eine motorisierte Klappe leitet die Kühlluft im Winter in die Werkstatt um. Ideal, um einen unbeheizten Raum zu heizen oder Wärmeverluste auszugleichen.
- Luft-Wasser (Wärmetauscher im Ölkreislauf): zur Erzeugung von Warmwasser zwischen 60 und 80 °C, für Brauchwarmwasser, Fußbodenheizung oder Prozessvorwärmung. Die vielseitigste Lösung, und die häufigste bei Maschinen großer Leistung.
- Wasser-Wasser (wassergekühlter Kompressor): direkte Einbindung in ein industrielles Wassernetz. In der Installation die teuerste der drei, Standorten mit dauerhaftem Warmwasserbedarf vorbehalten.
Mit einer zu beheizenden Werkstatt und einem Kompressor > 30 kW ist die Luft-Wasser-Lösung am Ölkreislauf oft der beste Kompromiss zwischen Investition und Vielseitigkeit: Sie dient der Heizung ebenso wie dem Warmwasser.
Konkrete Berechnung an einem 75-kW-Schraubenkompressor
Nehmen wir einen 75-kW-Kompressor, der 4.500 h/Jahr bei einer mittleren Last von 65 % läuft. Die rückgewinnbare Energie und die Einsparung an Heizenergie ergeben sich direkt daraus.
| Jährlich aufgenommene elektrische Energie | 75 × 4.500 × 0,65 = 219.375 kWh |
|---|---|
| Rückgewinnbare Wärmeenergie (80 %, Annahme des DOE-Rechenbeispiels) | 175.500 kWh |
| Tatsächlich genutzte Energie (Nutzungsgrad 60 %) | 105.300 kWh |
| Nicht verbranntes Gas (Kessel mit 92 % bezogen auf den Heizwert Hi) | 105.300 ÷ 0,92 = 114.457 kWh Hi, also ≈ 127.000 kWh Hs (Brennwert) |
| Zu Ihrem Tarif zu bewerten | ≈ 127.000 kWh Hs Gas pro Jahr, die übliche Einheit auf Gasrechnungen, multipliziert mit Ihrem kWh-Preis |
Der Nutzungsgrad ist der kritische Parameter. Ist der Wärmebedarf saisonal (nur Hallenheizung, Oktober bis April), rechnen Sie mit höchstens 50 %. Ist der Bedarf dauerhaft (Prozesswarmwasser), sind 80-90 % möglich.
Die drei Fallen, die es zu vermeiden gilt
- Den Wärmetauscher unterdimensionieren: Eine zu knappe Auslegung beschränkt die Rückgewinnung auf die Spitzen. Besser 10-15 % Reserve auf den Nennvolumenstrom einplanen.
- Die thermostatische Regelung vergessen: Ohne Bypass kann der Kompressor im Sommer überhitzen, wenn das Heiznetz keine Wärme anfordert. Immer einen automatischen Bypass oder einen Notkühler vorsehen.
- Die Wasserqualität ignorieren: An Standorten mit hartem oder aggressivem Wasser verkalkt oder korrodiert der Wärmetauscher innerhalb von 2-3 Jahren. Eine Enthärtungsanlage oder einen Edelstahl-Wärmetauscher schon in der Planung vorsehen.
Verlangen Sie von Ihrem Installateur immer die Wärmebilanz mit bezifferten Annahmen (Betriebsstunden, mittlere Last, Nutzungsgrad). Ein Verkaufsangebot ohne Wärmebilanz verspricht einen imaginären Gewinn.
Das CO₂-Argument, oft vergessen
Über die Energieeinsparung hinaus bringt die Wärmerückgewinnung eine direkte Verringerung der CO₂-Emissionen. Im oben berechneten Fall: 114.457 kWh Hi nicht verbranntes Gas entsprechen mit dem Faktor der Base Carbone der ADEME, der französischen Agentur für ökologischen Wandel (Erdgas, mittlerer Mix 2022: 0,239 kg CO₂eq pro kWh Hi), rund 27 Tonnen vermiedenem CO₂eq pro Jahr.
Für einen nach ISO 14001 zertifizierten Standort oder einen Anwärter auf CEE (Certificats d'Économies d'Énergie, die französischen Energiesparzertifikate) fließt diese Einsparung direkt in die CSR-Ziele ein.
Die CEE finanzieren einen Teil der Investition in die Wärmerückgewinnung am Kompressor, abhängig vom ausgehandelten Preis pro MWh cumac (kumulierte und abgezinste MWh) und vom Angebot. Lassen Sie Ihren Installateur die Berechnung nach dem Maßnahmenblatt IND-UT-103 („Système de récupération de chaleur sur un compresseur d'air“, Wärmerückgewinnungssystem an einem Druckluftkompressor) erstellen: Sie verändert die Rechnung.
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