nt 04 | 2024 Infrastrukturen der Zukunft: Wärmespeicher XXL
Viel heiße Luft – Demonstrator einer mobilen Kräutertrocknungsanlage
Peter Gruber, Jasmin Pfleger, Sandra Staudt, Manuel Dovjak, Wolfgang Weiß
In der Lebensmittelproduktion werden nach wie vor überwiegend fossile Energieträger zur Bedarfsdeckung eingesetzt, womit eine signifikante Emission von klimaschädlichen Treibhausgasen einhergeht. Die Trocknung ist nicht nur einer der energieintensivsten Prozesse in der Lebensmittelindustrie, sondern darüber hinaus kritisch für die Produktqualität, da der Trocknungsprozess genau an das jeweilige Trocknungsgut angepasst werden muss.
Trocknungsanlage mit Erweiterung Sorptionsspeicher (rechts). Foto: AEE INTEC
Im Rahmen des Projekts SolSorpDry, das durch den Zukunftsfonds Steiermark im Zuge der GREEN TECH X Ausschreibung gefördert wird, wurde bei AEE INTEC in Gleisdorf ein erster Prototyp einer Trocknungsanlage entwickelt. Diese Anlage gewährleistet eine hohe Produktqualität bei minimalem Energieeinsatz, ist flexibel an verschiedene Trocknungsgüter anpassbar und für den Betrieb mit erneuerbaren Energien ausgelegt. Durch die Zusammenarbeit mit der Versuchsstation für Spezialkulturen des Landes Steiermark in Wies konnte bei der Entwicklung ein besonderes Augenmerk auf eine flexible Trocknungslösung mit hoher Verfügbarkeit für kleinlandwirtschaftliche Anwender*innen gelegt werden. Um hohe Produktqualität bei möglichst niedrigem Energieeinsatz zu erzielen, wird vom Projektpartner BEST - Bioenergy and Sustainable Technologies GmbH ein smartes Regelungskonzept entwickelt, welches das hybride Versorgungssystem (beispielswiese Sorptionsspeicher und Solarthermie) optimal betreibt und variierende Betriebsbedingungen hinsichtlich Wetter und Eigenschaften der Trocknungsgüter berücksichtigen kann. Die steirischen Kernpartner Agrant GmbH und das Land Steiermark unterstützen das Projekt und stellen die Nähe zu potenziellen Anwender*innen sicher, um Skalier- und Multiplizierbarkeit zu gewährleisten.
Im Zuge des Projekts wurde nach einer umfassenden Literaturrecherche und Absprache mit diversen Stakeholder*innen ein Gesamtkonzept für eine mobile Trocknungsanlage erarbeitet. Das Konzept beruht auf einer zirkulären Luftführung, bei der die Luft an einem Kühlregister entfeuchtet und an einem Heizregister erwärmt und somit für die Trocknung konditioniert wird. Der Prototyp wurde mit entsprechender Messtechnik ausgestattet, um genügend Daten für ein grundlegendes Verständnis des Kräutertrocknungsprozesses und den Energiebedarf der einzelnen Prozessschritte zu erhalten. Im Rahmen einer Versuchsreihe im Sommer/Herbst 2023 wurde zudem ein mathematisches Modell entwickelt, das die zeitliche Abnahme der Wassermasse im Trockengut in Abhängigkeit verschiedener produktspezifischer Parameter beschreibt. Diese Parameter wurden für unterschiedliche Kräuter identifiziert. Dieses Modell wurde daraufhin einerseits zur modellgestützten Entwicklung der Anlagenregelung und andererseits zur Entwicklung eines intelligenten „Softsensors“ eingesetzt, der anhand von Temperatur- und Luftfeuchtigkeitsmessungen automatisch erkennt, wann das Trocknungsgut trocken genug ist. Die Qualität der Endprodukte wurde von den Expert*innen der Versuchsstation für Spezialkulturen des Landes Steiermark in Wies positiv bewertet. Nach Abschluss der Versuchsreihe wurden die generierten Daten analysiert und energetisch bilanziert, um verschiedene mögliche Energieversorgungskonzepte zu erstellen.
Für die zweite Versuchsreihe im Sommer 2024 wurde die Anlage um zusätzliche Sensoren sowie einen modular gestalteten Sorptionsspeicher erweitert (siehe Titelbild), welcher die Entfeuchtung sowie Wiedererwärmung der zirkulierenden Luft vornehmen soll. Durch diesen Ausbau ist die Anlage flexibler in der Energieversorgung und mobil einsetzbar.
Das Aufladen des Speichers – also das Freisetzen der gespeicherten Feuchtigkeit – kann zu energetisch günstigen Zeiten erfolgen, unabhängig von Ort und Zeitpunkt.
Im Zuge dieser Versuchsreihe wurden die implementierte Regelung validiert und Messdaten zur Optimierung des Softsensors gesammelt. Die Strategie der Anlagenregelung (siehe Abbildung) beruht im Wesentlichen darauf, die Temperatur, den Durchfluss und die Feuchtigkeit der Trocknungsluft auf einem bestimmten Sollwert zu halten. Für einen energieeffizienten Betrieb wird dabei so viel Luft wie möglich rezirkuliert und nur so viel nachgeheizt wie nötig. Dabei ist es möglich, zwischen der Art der Aufheizung (über den Sorptionsspeicher oder über die Solarthermieanlage) zu wählen. Neben dem Energieeinsparpotential durch den effizienten Betrieb der Anlage durch die Regelung kann zusätzlich Energie und Zeit gespart werden, wenn der Trocknungsprozess mit Hilfe des beschriebenen „Softsensors“ automatisch beendet werden kann.
Im Projekt konnte überzeugend nachgewiesen werden, dass der Einsatz der Trocknungsanlage mit zirkulierendem Luftstrom und Sorptionsspeicher energetisch sehr effizient ist. Als Referenz zur Berechnung von energetischen Einsparungen diente ein Trocknungsversuch mit Minze aus dem Jahr 2023, der auf der Prototypen-Anlage bei AEE INTEC ohne zirkulierenden Luftstrom durchgeführt wurde und somit den realen Betrieb der bestehenden Anlage in Wies simulieren sollte. Die Ergebnisse wurden mit dem im Sommer 2024 durchgeführten Versuch zur Minzetrocknung mit zirkulierendem Luftstrom und Sorptionsspeicher verglichen. Die zur Regeneration des Sorptionsspeichers benötigte Energie wurde in der Bilanzierung berücksichtigt, um eine vollständige energetische Bewertung zu gewährleisten. Insgesamt konnte eine Einsparung von 80 Prozent der thermischen und elektrischen Energie, bei ähnlichem prozentuellen Wasserentzug, erzielt werden.
Die Ergebnisse der Versuchsreihe 2024 werden als Grundlage für Simulationen zur weiteren Verbesserung der Regelungsstrategie und der Softsensoren genutzt. Eine mögliche Weiterentwicklung des Softsensors könnte der Erhöhung des Bedienkomforts für die Anwender*innen dienen, um mit Hilfe des entwickelten Modells Vorhersagen über das voraussichtliche Ende des Trocknungsprozesses treffen zu können.
Weiterführende Informationen
Autor*innen
Peter Gruber, BSc. ist wissenschaftlicher Mitarbeiter des Bereichs „Technisches Labor und Daten“ bei AEE INTEC. Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein!
Dipl.-Ing.in Dipl.-Ing.in Jasmin Pfleger ist wissenschaftliche Mitarbeiterin des Bereichs „Industrielle Systeme“ bei AEE INTEC. Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein!.
Dipl.-Ing.in Dr.in Sandra Staudt, Senior Researcher Automation and Control, BEST - Bioenergy and Sustainable Technologies GmbH. Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein!
Manuel Dovjak, MSc. Junior Researcher Automation and Control, BEST - Bioenergy and Sustainable Technologies GmbH. Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein!
Dipl.-Ing. Dr. Wolfgang Weiss ist Leiter des Bereichs „Industrielle Systeme“ bei AEE INTEC. Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein!.