Die Trocknung ist ein wichtiger und häufig eingesetzter Prozess in zahlreichen Industriebranchen wie der Papier-, der Zement- oder der Chemieindustrie. Bei der Produktion, Aufbereitung oder Verarbeitung etwa von Mineralien, Lebens- oder Waschmitteln stellt sie einen wesentlichen Prozessschritt dar. Unzählige Materialien, Produkte und Rohstoffe werden getrocknet, um sie haltbar zu machen, weiterverarbeiten zu können oder die Qualität zu sichern. Derzeitige Trocknungsprozesse arbeiten mit Heißluft. Forschende am Fraunhofer IGB gehen einen anderen Weg: Im Projekt LowCarbDry ersetzen sie Heißluft durch überhitzten Wasserdampf bei Atmosphärendruck (SHS, superheated steam) und elektrifizieren den Trocknungsprozess zudem mittels einer Wärmepumpe. Bei dieser Entwicklung arbeiten sie eng mit der Evonik Operations GmbH und der Pergande Group zusammen. Ziel des Vorhabens ist eine deutliche Senkung des Energieverbrauchs sowie die Sektorkopplung durch die Verlagerung von fossilen Energieträgern wie Erdgas hin zu erneuerbarem Strom. So wollen die Partner durch die Nutzung von strombasiertem Heißdampf (überhitztem Wasserdampf) den Energiebedarf für das Trocknen um den Faktor 2 bis 4 senken – je nach Trocknungsart und Temperaturniveau.
Überhitzter Wasserdampf senkt Energieverbrauch
»Die industrielle Trocknung verbraucht viel Energie. Bei der Heißlufttrocknung muss, um die Feuchtigkeit verdunsten zu lassen, Luft erwärmt werden. Hierzu wird in der Regel Erdgas verbrannt, was den CO₂-Ausstoß massiv in die Höhe treibt. Vor allem aber geht hierbei ein Teil der Energie durch die warme Abluft in die Atmosphäre verloren«, weiß Dr. Antoine Dalibard, Wissenschaftler am Fraunhofer IGB. »Anstatt feuchte Produkte mit heißer Luft zu trocknen, nutzen wir überhitzten, trockenen Dampf in einem geschlossenen Kreislauf. Aufgrund des geschlossenen Prozessgaskreislaufs werden Wärmeverluste nach außen minimiert und das Verfahren energieeffizienter als herkömmliche Heißlufttrocknungsverfahren«, erklärt der Wissenschaftler. Der aus der Produkttrocknung freigesetzte Überschussdampf kann anschließend kondensiert werden. Hierbei entsteht Kondensationswärme mit einer Temperatur von ca. 90 bis 100°C, die für viele andere Prozesse weitergenutzt oder in ein Nahwärmenetz eingespeist werden kann.
Grünen Stromanteil erhöhen, Betriebskosten weiter reduzieren
Mithilfe einer Wärmepumpe kann der Prozess zusätzlich elektrifiziert und Energie eingespart – und damit die Energieeffizienz erhöht sowie Betriebskosten gesenkt werden. »Die Wärmepumpe hebt die Temperatur des Niedertemperaturheißdampfs aus dem Trocknungsprozess auf ein höheres Temperaturniveau, um sie im Trocknungsprozess wieder zu nutzen«, erläutert der Forscher. Durch diese Wärmerückgewinnung lässt sich die Energieeffizienz einer Industrieanlage weiter steigern. Die Verwendung von Heißdampf als Trocknungsmedium ermöglicht zudem die Integration einer besonderen Art »offener« Wärmepumpe, der mechanischen Brüdenverdichtung. Hierbei verdichten Kompressoren den Überschussdampf aus dem Trocknungsprozess direkt – ohne den sonst erforderlichen Kondensationsschritt, was in einer noch höheren Energieeffizienz resultiert.
Wird die Anlage zusätzlich mit einer innovativen Regelung versehen, kann der Trocknungsprozess auch flexibilisiert werden: Mittels modellprädiktiver Steuerung ist ein dynamischer Betrieb möglich, also nur dann, wenn die Strompreise aufgrund hoher Verfügbarkeit erneuerbarer Energien günstig sind. Der Anteil grünen Stroms wird damit gesteigert und Betriebskosten werden weiter gesenkt. Insgesamt führen diese drei innovativen Ansätze – Dampftrocknung, Wärmepumpe, Flexibilisierung – zu einer Reduktion des Energieverbrauchs um bis zu 80 Prozent und zu einer signifikanten Dekarbonisierung industrieller Trocknungsprozesse.
Möglich ist der Einsatz der Heißdampftechnologie in verschiedenen Trocknern wie Band-, Trommel- oder Sprühtrocknern. »Wir haben unser Trocknungsverfahren bereits für verschiedenste Anwendungen erprobt. So konnten wir produktschonend und energiesparend mineralische Rohstoffe, Baumaterialien, organische Reststoffe sowie Lebensmittel und Futtermittel trocknen«, sagt Dalibard. Pilotanlagen für die Heißdampfsprühtrocknung sind bei den Projektpartnern bereits in Betrieb.
Fraunhofer-Gesellschaft
