MEMBRANTECHNOLOGIE FÜR LÜFTUNGSANLAGEN

Im Testcontainer AAF 40' sind vier Filtersysteme mit jeweils zwei Stufen parallel installiert. Jedes Filtersystem verfügt in der ersten Stufe über einen VariCel EcoPak ePM1 55% Kompaktvorfilter mit Glasfasermedien. In der zweiten Stufe sind in jeweils zwei Filtersystemen traditionelle H14-Glasfaser-Schwebstofffilter AstroCel I HC und H14-eFRM-Membran-Schwebstofffilter MEGAcel I installiert. Die Filterkombination ist also ein ePM1 55% Filter, direkt gefolgt von einem H14 HEPA-Filter. Der Volumenstrom wurde mit Volumenstromdüsen überwacht. Die Druckverluste der Volumenstromblenden sowie die der jeweiligen Filterstufen wurden mit dem AAF Sensor360^®-System fernüberwacht. Ebenfalls an das Sensor360^®-System angeschlossen war ein handelsüblicher PM2,5-Partikel-Sensor am Lufteinlass des Containers. Dort wurde auch ein Datenlogger für Lufttemperatur und Luftfeuchtigkeit installiert. Foto 3 zeigt den Testcontainer in der Diniar-Anlage in Olaine (Lettland). Die Rohre auf der linken Seite sind die Luftauslässe der vier Filtersysteme im Inneren des Containers.

Im ersten Teil des Tests wurde der Container 83 Tage lang rund um die Uhr im AAF-Werk in Emmen (Niederlande) betrieben. Nach einer Überholung wurde der Container zum Dinair-Werk in Olaine (Lettland) transportiert und dort 828 Tage lang rund um die Uhr betrieben. Die Filter wurden mit einem Volumenstrom von 3150 m³/h betrieben. Der Volumenstrom wurde bei Bedarf manuell nachgeregelt. Die Vorfilter wurden bis zur Belastungsgrenze betrieben, in einem Fall sogar darüber, so dass das Filterpaket brach. Der Druckverlust lag dann über 550 Pa. Sie wurden etwa alle 3 Monate ausgetauscht. Durch Hinzufügen eines weiteren Vorfilters im Wirkungsgradbereich ePM2,5 oder ePM10 konnte die Standzeit des eingesetzten VariCel EcoPak ePM1 55% Kompakt-Vorfilters sicher verlängert werden.

Temperatur und relative Luftfeuchtigkeit

Der Testcontainer war erheblichen jahreszeitlichen Schwankungen der Temperatur und der relativen Luftfeuchtigkeit der Zuluft ausgesetzt. Im Winter wurden regelmäßig Temperaturen von -10°C erreicht, in einigen Fällen sogar -20°C. Dies führte einige Male zur Vereisung der Vorfilter (Foto 4). Im Sommer lagen die Spitzentemperaturen bei bis zu 35°C. Die relative Luftfeuchtigkeit war im Winter naturgemäß niedrig und lag unter 10 %, erreichte aber im Sommer Werte von bis zu 100 %. Im Tagesverlauf korreliert die relative Luftfeuchtigkeit in der Regel mit der Temperatur, d. h. sie nimmt ab, wenn sich die Luft tagsüber erwärmt, und nimmt zu, wenn sie nachts abkühlt.

Partikelkonzentration

Die gemessenen PM2,5-Partikelkonzentrationen zeigen ebenfalls große saisonale Schwankungen (Abbildung 1). Der PM2,5-Mittelwert lag bei 37µg/m³. Für die nahe gelegene lettische Hauptstadt Riga gibt die Europäische Umweltagentur einen PM2,5-Mittelwert von 12µg/m3 für 2018-2020 an. Beide Mittelwerte liegen im Bereich >7,5µg/m3 und damit im Bereich der Außenluftkategorie ODA 3 (Außenluft mit sehr hohen Feinstaubkonzentrationen) gemäß der Eurovent-Richtlinie 4/23-2020, die die neuesten Empfehlungen der Weltgesundheitsorganisation (WHO Global Air Quality Guidelines 2021) berücksichtigt. Die gemessenen PM2,5-Spitzenwerte liegen im Bereich von 200-370µg/m³. Es kann nicht ausgeschlossen werden, dass Kondensationseffekte bei hoher relativer Luftfeuchtigkeit zu den Spitzenwerten beitragen.

Temperatur und relative Luftfeuchtigkeit

Im Verlauf des Druckverlustes ist es notwendig, kurzfristige Effekte von der langfristigen Entwicklung zu unterscheiden. Kurzfristige Druckabfallschwankungen wurden häufig während des Tages beobachtet (Abbildung 2).

Auffällig ist der deutliche Druckverlustunterschied zwischen den herkömmlichen AstroCel I Glasfaser-HEPA-Filtern und den MEGAcel I eFRM Membran-HEPA-Filtern. Die Glasfaserfilter liegen auf einem Niveau von 400-450 Pa, während der MEGAcel I eFRM-Membran-HEPA-Filter mit 180-320 Pa deutlich niedriger ist. Es wurde eine direkte Korrelation zwischen dem Anstieg der relativen Luftfeuchtigkeit und dem Anstieg des Druckabfalls festgestellt. Dieser Druckverlustanstieg wurde sowohl bei Glasfaserfiltern als auch bei eFRM MEGAcel I-Filtern beobachtet. Er ist in beiden Fällen reversibel, ist aber bei eFRM-Membranfiltern etwas höher. Die Gründe dafür könnten Kondensationseffekte im Filtermaterial selbst sein, sind aber noch Gegenstand laufender Untersuchungen. Davon zu unterscheiden ist die langfristige Druckverlustentwicklung.

Abbildung 3 zeigt die Langzeitentwicklung des Druckabfalls von herkömmlichen Glasfaser-Schwebstofffiltern im Vergleich zu MEGAcel I eFRM-Membran-Schwebstofffiltern. Der anfängliche Druckabfall des MEGAcel I eFRM-Membran-HEPA-Filters ist mit 180 Pa geringer als die Hälfte des herkömmlichen Glasfaser-HEPA-Filters, der im Bereich von 380 Pa liegt. Bei beiden Filtern gibt es periodische Schwankungen des Druckabfalls, die beim MEGAcel I eFRM-Membran-HEPA-Filter etwas größer sind als bei den herkömmlichen Glasfaser-HEPA-Filtern. Der Übersichtlichkeit halber sind die Werte im obigen Diagramm über einige Tage gemittelt. Mit zunehmender Belastung nimmt der Druckabfall beider Filter zu, aber die Werte für den MEGAcel I eFRM-Membran-HEPA-Filter bleiben immer deutlich niedriger als die für den herkömmlichen Glasfaser-HEPA-Filter. Gegen Ende des Tests beträgt der Druckverlustunterschied immer noch etwa 150 Pa.

Gesamtbetriebskosten (TCO)

Für den kostenoptimierten Betrieb einer Filteranlage müssen die Total Cost of Ownership TCO minimiert werden. Diese setzen sich im Wesentlichen aus den Investitionskosten CF für die Filter plus den Energiekosten für den Betrieb des Ventilators CE zusammen, der den durch die Filter verursachten Druckabfall überwinden muss.

Energiekosten

Die Energiekosten, die für den Betrieb des Filters aufgewendet werden müssen, sind direkt proportional zum Druckverlust des Filters:

Da bei einer Filteranlage die Rahmenbedingungen wie Volumenstrom, Betriebszeit, Ventilatorwirkungsgrad und Stromkosten in der Regel gegeben sind, können die Energiekosten nur durch die Wahl eines Filters mit möglichst geringem Druckverlust gesenkt werden. Abbildung 4 zeigt die Entwicklung der Stromkosten in einigen europäischen Ländern. Sie variiert von Land zu Land erheblich. Im Zusammenhang mit der COVID-Pandemie stiegen sie im Jahr 2021 europaweit stark an. Zwar gab es Anfang 2022 eine leichte Erholung, doch ist vor dem Hintergrund des russischen Krieges in der Ukraine nicht mit einer deutlichen Erholung zu rechnen. Im Gegenteil, es wird erwartet, dass die Stromkosten hoch bleiben, wenn nicht sogar noch steigen.

Im Juni 2022 lagen die Stromkosten in Schweden bei +376 %, in Deutschland bei +524 % und in Frankreich sogar bei +555 % im Vergleich zum Januar 2020. Es sei darauf hingewiesen, dass in Abbildung 4 nur die Großhandelspreise dargestellt sind. Je nach Verbrauchsmenge können sie für Gewerbe- oder Industriekunden deutlich höher sein. Hinzu kommen noch Netzentgelte und andere Gebühren. Beides ist in Abbildung 4 nicht berücksichtigt. Die Auswahl eines Filters mit möglichst geringem Druckverlust ist daher von zentraler Bedeutung für den kostenoptimierten Betrieb einer Filteranlage.

Jede Stromerzeugung ist mit bestimmten CO2-Emissionen verbunden. Dies wird gemeinhin als CO2-Fußabdruck bezeichnet. Die Höhe der CO2-Emissionen und damit des CO2-Fußabdrucks hängt vom Energiemix des Stromverbrauchers ab. Fossile Energieträger (Kohle, Gas, Öl) verursachen naturgemäß höhere CO2-Emissionen als regenerative Energieträger (Wind, Sonne, Wasser). Bei gleichem Stromverbrauch sind die resultierenden CO2-Emissionen daher von Land zu Land sehr unterschiedlich. Tabelle 1 zeigt die Höhe der CO2-Emissionen bei der Stromerzeugung in verschiedenen Ländern. Natürlich haben Länder mit einem hohen Anteil an erneuerbaren Energiequellen oder Kernenergie, wie Schweden, die Schweiz oder Frankreich, relativ niedrige CO2-Emissionen bei der Stromerzeugung.

Tabelle 1: CO2-Emissionen aus der Stromerzeugung in verschiedenen Ländern [2].

Zum Beispiel

Lassen Sie uns die Energiekosten, die Gesamtbetriebskosten und den CO2-Fußabdruck in einer konkreten Anwendung unter den für den Containertest beschriebenen Bedingungen überprüfen. Dazu gehen wir von den folgenden Annahmen aus:

Aufgrund der oben beschriebenen Situation auf den Energiemärkten gehen wir von den Großhandelspreisen für Strom im Juni 2022 aus und vernachlässigen der Einfachheit halber alle Netzentgelte und sonstigen Abgaben.

Tabelle 2: Stromgroßhandelspreise Juni 2022 (ohne Netzentgelte und andere Gebühren) und Anstieg gegenüber Januar 2022 für einige Länder [1].

Abbildung 5 vergleicht die Energiekosten für den Betrieb eines Glasfaser-HEPA-Filters mit denen eines eFRM-Membran-HEPA-Filters in verschiedenen Ländern unter den oben genannten Bedingungen, berechnet nach Formel (2).

Die unterschiedlichen Stromkosten in den verschiedenen Ländern führen zu deutlich unterschiedlichen Energiekosten für den Betrieb eines Filters. In unserem Beispiel sind die Kosten in Italien etwa 2,37 mal so hoch wie in Schweden. Unabhängig davon zeigt sich in jedem Land eine Kostenersparnis von ca. 50% beim Einsatz von eFRM-Membran-Schwebstofffiltern. Bei der Berechnung der Gesamtbetriebskosten werden nach Formel (1) die Investitionskosten für die Filter zu den Energiekosten addiert. Dabei wird von folgenden Investitionskosten ausgegangen,

Abbildung 6 zeigt die Entwicklung der Gesamtbetriebskosten im Zeitverlauf für verschiedene Länder.

Aufgrund der geringeren Investitionskosten für die Glasfaserfilter sind deren Gesamtbetriebskosten zunächst niedriger als die der eFRM-Membranfilter. Aufgrund der deutlich niedrigeren Energiekosten während des Betriebs der eFRM-Membranfilter kehrt sich dieses Verhältnis jedoch im Laufe der Zeit um (Abbildung 6). Der Punkt, an dem dies geschieht, ist der sogenannte Break-Even-Punkt, ab dem sich der Betrieb der höherwertigen eFRM-Membranfilter wirtschaftlich rechnet. Unterschiedliche Energiekosten zwischen den Ländern spielen dabei kaum eine Rolle. Die Amortisationszeiten liegen immer im Bereich von wenigen Monaten (Abbildung 7).

Abbildung 8 zeigt die resultierenden Total Cost of Ownership über die angenommene Betriebszeit von 18.000h.

Aufgrund der unterschiedlichen Energiekosten in den verschiedenen Ländern ergeben sich deutlich unterschiedliche Total Cost of Ownership für die Filter. Unabhängig davon ergeben sich in allen Ländern signifikante Kosteneinsparungen im Bereich von 35% bis zu mehr als 42%. Mit den in Abbildung 5 zugrunde gelegten Energieverbräuchen lassen sich die in Abbildung 9 dargestellten CO2-Äquivalente berechnen.