Clevere Nutzung des Nebenproduktes Dampf

Prozessdampf ist ein in der Industrie gebräuchlicher Begriff für Wasserdampf, welcher direkt in einem industriellen Prozess genutzt wird. Häufig ist in diesem Zusammenhang die Nutzung auf die Bereitstellung von Wärme für beispielsweise Koch-, Eindampf- oder Destillationsprozesse beschränkt. Darüber hinaus können auch Trocknungsprozesse oder die Wärmebereitstellung bei endothermen Reaktionen in der Chemieindustrie mit Prozessdampf realisiert werden.

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Prozessdampf als Wärmeträgermedium

Die Versorgung industrieller Prozesse mit Wärme ist eine essentielle Aufgabe zur Sicherstellung der volkswirtschaftlichen Wertschöpfung. Sie unterscheidet sich aufgrund der spezifischen Anforderung einzelner Prozesse oft stark von der Raumwärmeversorgung.

Prozessdampf zeichnet sich vor allem darin aus, dass, im Gegensatz zu flüssigen Wärmeträgermedien wie Wasser oder Thermoöl, die meiste Energie latent in der Verdampfungsenthalpie enthalten ist. Der sensible, fühlbare Anteil der Wärme ist hingegen vernachlässigbar.

Demnach wird die meiste Energie bei der Dampferzeugung für den Phasenübergang des Wassers in den gasförmigen Zustand benötigt. Diese Energie wird frei, wenn der Dampf wieder in den flüssigen Zustand übergeht, der Kondensation. Die dabei abgegebene Kondensationswärme entspricht für 1 kg Wasser etwa 0,6 kWh. Um die gleiche Wärmemenge mit heißem Wasser bereitzustellen, müssten, trotz der hohen Wärmekapazität des Wassers, mehr als 25 kg um 20 K aufgeheizt oder entsprechend abgekühlt werden.

Die massenbezogene Energiedichte des Dampfes ist also wesentlich höher als die von flüssigen Wärmeträgermedien. Dies hat insbesondere bei großen Wärmenetzen einen Einfluss auf die Betriebskosten, da die erforderlichen Massenströme durch Pumpenleistung realisiert werden muss.

Wenn einem flüssigen Wärmeträgermedium Energie entzogen wird, verringert sich seine Temperatur. Es ist also nicht möglich, Wärme aus heißem Wasser bei einer konstanten Temperatur bereitzustellen. Bei einer Vorlauftemperatur von beispielsweise 90 °C und einer Rücklauftemperatur von 70 °C wird die Wärme bei einer mittleren Temperatur von 80 °C abgegeben. Wasserdampf kondensiert bei Umgebungsdruck bei etwa 100 °C. Die Kondensationswärme wird konstant bei der entsprechenden Siede-/Kondensationstemperatur abgegeben, bis der gesamte Dampf kondensiert ist. Diese Temperatur ist abhängig vom Druck. So lässt sich über dem Systemdruck, eine exakte Temperatur der Wärmebereitstellung festlegen, was für viele industrielle Prozesse von enormen Vorteil ist. Die Vorlauftemperatur entspricht also der benötigten Prozesstemperatur und ist damit niedriger als dies mit heißem Wasser der Fall wäre. Gerade bei großen Leitungslängen werden so der Wärmeverlust minimiert und die Betriebskosten gesenkt.

Darüber hinaus ist der Wärmeübergang an einer Wärmeübertragerfläche sowohl bei der Verdampfung als auch bei der Kondensation vergleichsweise hoch, dies birgt vor allem konstruktive Vorteile, insbesondere bei der Auslegung entsprechender Wärmeübertrager.

Die Nachteile eines Dampfnetzes sind im Wesentlichen die hohen Anforderungen an Sicherheit und Integrität. Dampf ist im Gegensatz zu einer Flüssigkeit ein kompressibles Medium. Im Falle einer Havarie könnte hoch komprimierter Dampf explosionsartig austreten und so nicht nur thermischen Schaden, sondern auch physische Zerstörung verursachen. Der hohe Aufwand an Sicherheitstechnik in Leitung, Regelung und Armaturen führen, im Vergleich zu einem Heißwasserversorgungssystem, zu höheren spezifischen Investitionskosten. Der Wärmeverlust in einem Sattdampfrohrleitungssystem führt nicht zu einer Temperaturabsenkung, sondern zu einer Teilkondensation des Dampfes. Das Kondensat muss in speziellen Vorrichtungen abgeführt werden.

Prozessdampf als Nebenprodukt in der Industrie

Wasserdampf ist ein geeignetes Arbeitsmittel, was bei den meisten Dampfkraftprozessen zur Erzeugung von elektrischen Strom zum Einsatz kommt. Dabei wird Wasser bei einem hohen Druck verdampft, der komprimierte Wasserdampf wird in einer Turbine entspannt, welche dabei mechanische und über einen Generator elektrische Energie bereitstellt. Der Dampf wird anschließend kondensiert und das flüssige Wasser über Speisewasserpumpen wieder der Verdampfung zugeführt. Mit einer Entnahme von Dampf aus der Turbine (Entnahmeturbine) oder die Nutzung des Dampfes nach der Turbine (Gegendruckturbine), für beispielsweise industrielle Prozesse, kann die Bereitstellung von Prozessdampf und die Stromerzeugung verbunden werden. Durch die doppelte Nutzung des Dampfes können hohe Gesamtwirkungsgrade erreicht werden. Die sogenannte Kraft-Wärme-Kopplung wird aufgrund der ökologischen Vorteile auch politisch gefördert.

Warum Wasserdampf?

Neben Wasserdampf können auch organische Öle verdampft werden und als Arbeitsmittel oder Wärmeträgermedium dienen. Sinnvoll ist dies dann, wenn spezielle Anforderungen an Druck und Temperatur gestellt werden. In den meisten Fällen ist Wasserdampf jedoch das Medium der Wahl.

Wasser ist eines der häufigsten Elemente auf unserem Planeten. Die physikalischen Eigenschaften sind ausgiebig erforscht und dokumentiert. Die Erfahrungen im Umgang mit Wasser und Wasserdampf als Wärmeträger und Arbeitsmedium reichen bis zum Beginn der industriellen Revolution zurück. Wasser als solches ist vergleichsweise günstig, völlig ungiftig für Mensch und Tier, nicht brennbar und einfach in der Handhabung.

Dampferzeugung mit Großwasserraumkessel und Wasserrohrkessel

Im Wesentlichen wird aufgrund der unterschiedlichen Bauarten zwischen zwei Kesseltypen zur Dampferzeugung unterschieden.

Der Großwasserraumkessel ist ein zylindrischer zum Teil mit Wasser gefüllter Behälter, welcher anfänglich meist von außen beheizt wurde. In heutigen Konstruktionen liegt der Brennraum im Inneren des Kessels und das Rauchgas wird über zum Teil mehrere Züge durch den Kessel geleitet. Deshalb wird dieser Kesseltyp auch als Flamm- oder Rauchrohrkessel bezeichnet. Diese Art der Konstruktion bietet einen hohen Wirkungsgrad bei einem vergleichsweise geringen technischen Aufwand. Die Bauweise des Kessels bedingt zudem eine Pufferwirkung, die die Regelung vereinfacht und eine zuverlässige Bereitstellung von Dampf, auch bei schwankender Nachfrage, sicherstellt. Nachteilig ist die aufwendige Reinigung der Rauchrohre, was unter anderem die Wahl des Brennstoffes beeinträchtigt. Verwendung finden hier meist Gas- oder Ölbrenner aber auch Braunkohlenstaub- oder Schwachgas- und Synthesegasbrenner kommen zum Einsatz. Darüber hinaus ist angesichts der hohen sicherheitstechnischen Anforderungen an den Kesselmantel, der realisierbare Druck des Dampfes limitiert. Auch die Leistung eines einzelnen Kessel wird selten über 50 MW dimensioniert.

Der Wasserrohrkessel ist der zweite der beiden Kesseltypen. In diesem Fall wird das zu verdampfende Wasser durch unzählige Rohre durch einen Brennraum geleitet. Diese Konstruktion ist technisch aufwändiger, insbesondere wenn hohe Wirkungsgrade erreicht werden sollen. Vorteile sind, dass nahezu jeder Brennstoff einsetzbar ist. Die aktuelle Palette reicht vom konventionellen Braun- und Steinkohlekessel bis hin zur Biomasse- und Müllverbrennungsanlage. Zudem ist die Leistung praktisch beliebig skalierbar und wegen der kleinen Volumina der Wasserrohre können extrem hohe Drücke realisiert werden.

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