SI/502113

Schlussbericht

«Green, Clean & Energy Efficient Drying» ist der Vorsatz der Reindampftrocknung: Die wärmepumpenbasierte Trocknungstechnologie erzielt höchste Energieeffizienz und kann durch den Einsatz von Strom aus erneuerbaren Energiequellen klimaneutral und gleichzeitig mit reduzierten Kosten produzieren. Ausgangslage der vorliegenden Technologiestudie war die betriebstüchtige Laboranlage, die AquAero im Vorfeld in Finanzierung durch die Klimastiftung Schweiz entwickelt hatte. Die Anlage wurde primär zur Trocknung von Schüttgütern konzipiert und daher als Bandtrockner im kontinuierlichen Betrieb ausgerüstet. Das Trocknungsprinzip basiert auf der bekannten Heissdampftrocknung, womit alle Materialien getrocknet werden können, die nicht empfindlich sind für Temperaturen >100°C. Die Innovation kombiniert diese Methode jedoch mit der Brüdenrückverdichtung zur Wärmerückgewinnung. Diese Bauweise wird in der Literatur gängig mit «Open Loop Heat Pump System» oder mit «Mechanical Vapour Recompression (MVR) System» beschrieben. Neben einer hohen Produktqualität verspricht dieses System viele weitere Vorteile gegenüber der herkömmlichen Trocknung mit Dampf oder Luft: Durch die Wärmerückgewinnung wird nicht nur eine hohe Energieeffizienz garantiert, die wärmepumpenbasierte Technologie macht auch einen Betrieb mit erneuerbaren Energiequellen möglich. Dadurch kann der CO2 Ausstoss verglichen mit herkömmlichen Trocknungsverfahren massiv gesenkt und eine klimaneutrale Produktion angeboten werden. Ziel von AquAero ist es, einen neuen Trocknungs-Benchmark für temperaturunempfindliche Materialien zu etablieren. Neben den Vorteilen bringt das System jedoch auch Schwierigkeiten mit sich. Zum einen muss je nach Material die Verschmutzung des Wärmetauschers berücksichtigt werden und zum anderen fordert der stationäre Betrieb des offenen Systems durch variable äussere Einflüsse eine stete Regelung. Diese bedingt eine gründliche Kenntnis der Abhängigkeiten der Parameter. Hauptziel des P&D Projekts war es, an der Laboranlage eine Parameterstudie durchzuführen, um durch eine Vielzahl von Tests die Abhängigkeit der Betriebsparameter beschreiben zu können. Daraus sollte der ideale Betriebspunkt abgeleitet werden. Ferner dient dieselbe Kenntnis der Grundlage der Regelung. Ebenso war es ein Ziel, an der Anlage eine Skalierungsstudie hin zu grösseren Materialraten durchzuführen, um Skalierungsregeln ableiten zu können. Darüber hinaus wurden Testtrocknungen von verschiedenen Materialien (Ton, Gärreste, HTC-Biokohle, Biertreber) für interessierte Firmen durchgeführt. Parallel dazu wurde eine Kleinanlage zur Bestimmung von Sorptionsisothermen in Dampf und zur Analyse des Materialverhaltens gebaut. Die Parameterstudie wurde mit Silikagel als Testmaterial durchgeführt und ist weitgehend gemäss den theoretischen Erwartungen verlaufen. Silikagel konnte binnen einer Verweilzeit von 30 Minuten von einem TS von 50% auf über 90% getrocknet werden, wozu ein Energiebedarf von bloss 0.55 kWh/kg notwendig war. Dabei stellte sich eine Materialtemperatur von 115°C bei einer Dampftemperatur von 170°C ein, was für Lebensmittel unkritisch ist. Die weiteren Materialien (Ton, Gärreste, HTC-Biokohle und Biertreber) wurden als Zugabe zum Silikagel getestet, womit Silikagel als Matrixmaterial verwendet wurde. Das System liess sich durch das thermisch träge Verhalten recht einfach manuell in stationärem Zustand halten. In der beschränkten Skalierung verhielt sich das System annähernd linear. Hinsichtlich der Parameter zeigte sich, dass ein Mindestmass an Dampfkreislauf-Massenstrom essentiell für den Betrieb ist. Ist dieser nicht gegeben, so bricht die Dampfatmosphäre durch fehlenden Wärmerücktransport hin zum Material zusammen. Alle anderen Parameter haben zwar eine Wirkung auf den Ziel-TS und die Energieeffizienz, sind aber nicht von essentieller Bedeutung für den Betrieb. Die Testmaterialien konnten allesamt auf die jeweilig geforderten Trockensubstanzanteile (TS) getrocknet werden. In Kauf genommen wurde dabei, dass die als Bandtrocknung konzipierte Anlage nicht für schlammartige und klebende Materialien geeignet ist. Der durch das BFE ermöglichte Technologiestand macht die Entwicklung einer Regelung für den autonomen Betrieb als künftig letzten Laborschritt möglich. Erfreulicherweise tritt die Technologie auf breites Interesse in verschiedensten Branchen, womit wir uns das Ziel setzen, im 2022 die erste Pilot- oder Demonstrationsanlage in industrieller Umgebung in Betrieb zu nehmen.