Kompressoren sind Maschinen, welche Gase auf über 0.3 bar Überdruck zusammendrücken, man nennt sie auch Verdichter.

Energiebilanz der Verdichtung

Wenn Gase komprimiert werden, erwärmen sie sich. Die Wärmemenge entspricht etwa der aufgewendeten mechanischen Energie für die Komprimierung (Gasgleichungen). Das scheint einen energetischen Widerspruch zu ergeben, denn mit der eingesetzten mechanischen Energie bekommt man die volle Wärme und zusätzlich viel komprimiertes Gas, welches fast soviel Arbeitsvermögen hat, wie mechanische Energie eingesetzt wurde. Um diesen Widerspruch aufzulösen, muss man die Grössen Energie und Exergie verwenden (Eine Begrifferklärung ist unter Thermodynamik zu finden).

Beispiel

Input 160 kWh
100 kWh elektrische Energie
60 kWh Umgebungswärme in Ansaugluft 100 kPa, 288 Liter/s, 20 °C

Kompressor 60% Wirkungsgrad
Verdichtet die Ansaugluft auf 7 bar
Erwärmt die Luft von 20 °C auf 90 °C
Kühlt die Luft von 90°C auf 20 °C

Output 160 kWh
20 kWh Abwärme etwa 30 °C
80 kWh nutzbare Abwärme auf 80 °C bei einem Rücklauf von 40 °C
60 kWh Druckluftenergie 800 kPa, 36 Liter/s, 20 °C

Wenn man den Energieinhalt der angesaugten Luft in den Energiefluss eines Kompressors mit einbezieht, dann geht die Energiebilanz auf.

Kolbenkompressor

Die Urform eines Kompressors ist ein verschiebbarer Kolben in einen Zylinder. Je mehr das Gas zusammengedrückt wird, desto mehr Kraft ist erforderlich. Sobald das Auslassventil öffnet, nimmt die Kraft nicht mehr zu, wenn schon ein gleichgrosser Gegendruck herrscht. Das Volumen, welches das zurückbleibende Gas beim Aussstoss einnimmt, nennt man Totvolumen. Beim Rückhub wird über über das Einlassventil Gas mit Umgebungsdruck in den Zylinder angesaugt. Je nach den Strömungsverhältnissen startet die anschliessende Verdichtung dann mit einen kleinen Unterdruck im Zylindervolumen.

Grundprinzip eines Kolbenkompressors. Die Kolbendichtung verursacht zusätzliche Reibung und Lecks, welche auch an defekten Ventilen auftreten können.
Kraftaufwand für die Kompression auf einen Überdruck von 7 bar. Ab einem Druck von 7 bar bleibt die Kraft konstant, da das Auslassventil öffnet und das Restvolumen ausgestossen wird. Die Fläche unter den beiden Kennlinen (adiabat = ohne Wärmeabgabe, isotherm = ohne Erwärmung) entspricht dem Energieaufwand (Integral der Kraft über den Hub).

Spezifische Energie komprimierter Gase

Um einen Kubikmeter Luft auf 7 bar Überdruck zu verdichten benötigt man etwa 0.1 kWh Energie. Das entspricht etwa der Energie, um einen Liter Wasser zum kochen zu bringen.

Das theoretische Arbeitsvermögen von Druckluft entspricht der isothermen Energie.

\(W = V_1 \cdot p_1 \cdot \ln{\frac{p_2}{p_1}}\)

\(W\) [J] = Verdichtungsarbeit isotherm
\(V_1\) [m³] = Ansaugvolumen
\(p_1\) [Pa] = Ansaugdruck absolut (100'000 Pa)
\(p_2\) [Pa] = Verdichterdruck absolut
\(\ln\) = natürlicher Logarithmus

Erforderliche Energie pro m3 Luft bei unterschiedlichem Überdruck. Lesebeispiel: Für 1 Kubikmeter Luft auf 7 bar benötigt man bei einem isothermen Kompressorwirkungsgrad von 60 % eine Energiemenge von 0.095 kWh, bei einem Druck von 2 bar nur 0.05 kWh.

Kompressorvergleich

Es gibt unterschiedliche Kompressortypen, welche ihr typischen Einsatzbereiche haben.

Einsatzbereich der verschieden Kompressortypen.

Kompressorhersteller vermeiden den Begriff Wirkungsgrad. Man verwendet Grössen wie Liefermenge pro kW Kompressorleistung oder Energie pro Kubikmeter Luft.

Vergleich des isothermen Wirkungsgrades von Druckluftkompressoren. Die gebogenen Kurven veranschaulichen den Wirkungsgrad von einigen drehzahlvariabe Schraubenkompressoren. Quelle: Ecodesing DG ENER LOT 31 und Datenblätter verschiedener Hersteller.

Wenn man die auf dem Markt erhältlichen Kompressoren vergleicht, sieht man, dass der Wirkungsgrad mit der Kompressorgrösse zunimmt. Erstaunlich ist auch die grosse Streuung der angebotenen Kompressoren, welche teilweise bei  Faktor 2 liegt. Am Besten sind die Turboverdichter (Strömungsmaschinen), welche derzeit aber erst ab etwa 500 kW Leistung verfügbar sind. Die oft anzutreffende Meinung, dass Schraubenkompressoren besser als Kolbenkompressoren sind, wird durch die 4 Kolbenkompressoren im Bericht von 50 bis 100 kW widerlegt.