Kurzbeschreibung
(Deutsch)
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Zurzeit werden in industrialisierten Ländern 12 – 25 % des Gesamtenergieaufwandes der Industrie zur Trocknung benötigt; dies meist basierend auf fossilen Brennstoffen. Die Reindampftrocknungstechnologie von AquAero kann durch den Einsatz der Brüdenkompression (Hochtemperaturwärmepumpe) den Energiebedarf um rund zwei Drittel reduzieren, womit sie einen bedeutenden Beitrag zur Strategie der nachhaltigen Entwicklung des Bundes hinsichtlich Energieeffizienz und Reduktion von Treibhausgasemissionen leisten kann. – Als Vorarbeit zum Bau einer Pilotanlage und zur Trocknung verschiedener Materialien wird in diesem Projekt eine Parameterstudie am bestehenden Prototypen durchgeführt sowie ein Skalierungsschritt an der bestehenden Anlage umgesetzt. Die Betriebscharakteristik wird durch anlage-, material- und skalierungsspezifische Parameter erfasst, sodass die Technologie künftig in der Grösse skaliert und für verschiedenste Materialien adaptiert werden kann.
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Schlussbericht
(Deutsch)
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«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.
Zugehörige Dokumente
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Schlussbericht
(Englisch)
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"Green, Clean & Energy Efficient Drying" is the resolution of pure steam drying: The heat pump based drying technology achieves highest energy efficiency and can produce climate neutral and at the same time with reduced costs by using electricity from renewable energy sources.
The starting point for this technology study was the operational laboratory plant that AquAero had developed in advance with funding from the Swiss Climate Foundation. The plant was designed primarily for drying bulk materials and was therefore equipped as a belt dryer in continuous operation.
The drying principle is based on the well-known hot steam drying method, which can be used to dry all materials that are not sensitive to temperatures >100°C. The new drying method is based on a continuous belt dryer. However, the innovation combines this method with vapor recompression for heat recovery. This design is commonly described in the literature as "Open Loop Heat Pump System" or as "Mechanical Vapor Recompression (MVR) System". In addition to high product quality, this system promises many other advantages over conventional drying with steam or air: Heat recovery not only guarantees high energy efficiency, but the heat pump-based technology also makes operation with renewable energy sources possible. As a result, CO2 emissions can be massively reduced compared to conventional drying processes and climate-neutral production can be offered. The aim of AquAero is to establish a new drying benchmark for temperature-insensitive materials. In addition to the advantages, however, the system also brings difficulties. On the one hand, depending on the material, the fouling of the heat exchanger must be taken into account, and on the other hand, the steady-state operation of the open system due to variable external influences requires constant control. This requires a thorough knowledge of the dependencies of the parameters.
The main objective of the P&D project was to carry out a parameter study on the laboratory plant in order to be able to describe the dependence of the operating parameters by means of a large number of tests. From this, the ideal operating point was to be derived. Furthermore, the same knowledge serves as the basis for the control system. Likewise, it was an objective to carry out a scaling study on the plant towards larger material rates in order to be able to derive scaling rules. In addition, test dryings of different materials (clay, digestate, HTC biochar, brewer's grains) were carried out for interested companies. In parallel, a small-scale plant was built to determine sorption isotherms in steam and to analyze material behavior. The parameter study was carried out with silica gel as test material and proceeded largely according to theoretical expectations. Silica gel could be dried from a TS of 50% to over 90% within a residence time of 30 minutes, requiring an energy consumption of only 0.55 kWh/kg. The material temperature was 115°C with a steam temperature of 170°C, which is not critical for foodstuffs. The other materials (clay, digestate, HTC biochar and spent grains) were tested as additions to the silica gel, using silica gel as the matrix material. The system was quite easy to maintain in steady state manually due to its thermally inert behavior. In the limited scaling, the system behaved approximately linear. With respect to the parameters, it was found that a minimum steam cycle mass flow is essential for operation. If this is not given, the steam atmosphere collapses due to lack of heat transfer back to the material. All other parameters have an effect on the target TS and energy efficiency, but are not essential for operation. The test materials could all be dried to the respective required dry substance contents (DS). It was accepted that the plant, which was designed as a belt drying system, is not suitable for sludge-like and sticky materials.
The state of technology made possible by the SFOE makes it possible to develop a control system for autonomous operation as the final laboratory step in the future. Encouragingly, the technology is attracting widespread interest in a wide range of industries, with the goal of commissioning the first pilot or demonstration plant in an industrial environment in 2022.
Zugehörige Dokumente
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Schlussbericht
(Französisch)
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"Green, Clean & Energy Efficient Drying", tel est le principe du séchage à la vapeur pure : la technologie de séchage basée sur une pompe à chaleur atteint une efficacité énergétique maximale et peut, grâce à l'utilisation d'électricité issue de sources d'énergie renouvelables, produire sans impact sur le climat tout en réduisant les coûts.
Le point de départ de la présente étude technologique était l'installation de laboratoire opérationnelle qu'AquAero avait préalablement développée grâce au financement de la Fondation Suisse pour le Climat. L'installation a été conçue en premier lieu pour le séchage de produits en vrac et a donc été équipée d'un séchoir à bande fonctionnant en continu.
Le principe de séchage est basé sur le séchage à la vapeur chaude bien connu, ce qui permet de sécher toutes les matières qui ne sont pas sensibles à des températures >100°C. L'innovation combine toutefois cette méthode avec la recompression des vapeurs pour la récupération de la chaleur. Ce type de construction est couramment décrit dans la littérature comme "Open Loop Heat Pump System" ou "Mechanical Vapour Recompression (MVR) System". Outre une qualité de produit élevée, ce système promet de nombreux autres avantages par rapport au séchage traditionnel à la vapeur ou à l'air : la récupération de chaleur garantit non seulement une efficacité énergétique élevée, mais la technologie basée sur les pompes à chaleur permet également un fonctionnement avec des sources d'énergie renouvelables. Cela permet de réduire massivement les émissions de CO2 par rapport aux procédés de séchage traditionnels et de proposer une production climatiquement neutre. L'objectif d'AquAero est d'établir une nouvelle référence en matière de séchage pour les matériaux insensibles à la température. Outre ses avantages, le système présente toutefois des difficultés. D'une part, il faut tenir compte de l'encrassement de l'échangeur de chaleur selon le matériau et, d'autre part, le fonctionnement stationnaire du système ouvert exige une régulation constante en raison d'influences extérieures variables. Celle-ci nécessite une connaissance approfondie des interdépendances des paramètres.
L'objectif principal du projet P&D était de réaliser une étude des paramètres sur l'installation de laboratoire afin de pouvoir décrire l'interdépendance des paramètres de fonctionnement par le biais d'un grand nombre de tests. Le point de fonctionnement idéal devait en être déduit. De plus, cette connaissance sert de base à la régulation. De même, l'un des objectifs était de réaliser une étude de mise à l'échelle de l'installation vers des débits de matériaux plus importants afin de pouvoir en déduire des règles de mise à l'échelle. En outre, des tests de séchage de différents matériaux (argile, résidus de fermentation, biochar HTC, drêches de bière) ont été réalisés pour les entreprises intéressées. Parallèlement, une petite installation a été construite pour déterminer les isothermes de sorption dans la vapeur et pour analyser le comportement des matériaux. L'étude des paramètres a été réalisée avec du gel de silice comme matériau d'essai et s'est déroulée en grande partie conformément aux attentes théoriques. Le gel de silice a pu être séché d'un taux de matière sèche de 50% à plus de 90% en l'espace de 30 minutes, ce qui a nécessité une consommation d'énergie de seulement 0,55 kWh/kg. La température du matériau était de 115°C et la température de la vapeur de 170°C, ce qui n'est pas critique pour les aliments. Les autres matériaux (argile, résidus de fermentation, biochar HTC et drêches de bière) ont été testés en tant qu'ajouts au gel de silice, ce qui a permis d'utiliser le gel de silice comme matériau de matrice. Le système a pu être maintenu manuellement en état stationnaire assez facilement grâce à son comportement thermiquement inerte. Le système s'est comporté de manière presque linéaire à l'échelle limitée. En ce qui concerne les paramètres, il s'est avéré qu'un débit massique minimal du circuit de vapeur était essentiel pour le fonctionnement. S'il n'est pas atteint, l'atmosphère de vapeur s'effondre en raison du manque de transfert de chaleur vers le matériau. Tous les autres paramètres ont certes un effet sur le TS cible et l'efficacité énergétique, mais ils ne sont pas essentiels pour le fonctionnement. Les matériaux testés ont tous pu être séchés jusqu'à obtention des pourcentages de matière sèche (MS) requis. Il a été admis que l'installation, conçue comme un séchoir à bande, n'est pas adaptée aux matériaux boueux et collants.
Le niveau technologique atteint grâce à l'OFEN rend possible le développement d'une régulation pour un fonctionnement autonome, qui sera la dernière étape du laboratoire. Il est réjouissant de constater que cette technologie suscite un large intérêt dans les secteurs les plus divers, ce qui nous permet de nous fixer comme objectif de mettre en service la première installation pilote ou de démonstration dans un environnement industriel en 2022.
Zugehörige Dokumente
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