Joule-Jäger im Optimierungsfieber

CT-Trendbericht Wärmeübertrager

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18.05.2017 Wenn Chemieunternehmen ihre Energien immer effizienter nutzen wollen, dann führt kein Weg an einer optimalen Wärmenutzung vorbei. Wo früher einfache Rohrbün­delapparate genutzt wurden, geht der Trend heute zu kompakten Hightech-Apparaten, die nicht nur im Auslegungspunkt, sondern auch unter Teillast optimal funktionieren.

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Entscheider-Facts für Betreiber und Planer

  • Die Entwicklung von Wärmeübertragern wird getrieben vom Trend nach einer immer effizienteren Energienutzung.
  • Neben technischen Weiterentwicklungen wie Apparategeometrien für geringe Temperaturdifferenzen, höheren Drücken und dem Beherrschen von Fouling im Betrieb entwickeln die Hersteller Servicekonzepte für einen kostenoptimierten Betrieb.
  • Prozessmodifikationen können dabei helfen, große Effizienzpotenziale zu heben.

Chemische Prozesse erfordern einen hohen Energieeinsatz. Insbesondere Basischemikalien und „Commodities“ tragen in hohem Maße zum Energieeinsatz in der Chemieindustrie bei. Aber nicht zuletzt technische Fortschritte und der Trend hin zur Spezialchemie haben in den vergangenen zwei Jahrzehnten dazu beigetragen, dass die Produktivität in der Chemie sich vom Energieeinsatz entkoppelt hat: So ist die Produktion zwischen 1990 und 2015 laut Chemieverband VCI um 63 % gestiegen, im gleichen Zeitraum sank der Energieverbrauch um 19 % – und quasi nebenbei hat die Branche ihren Ausstoß an Treibhausgasen halbiert.

Doch das Ende der Fahnenstange ist hier immer noch nicht in Sicht, und die Vorgaben durch die Politik sind ehrgeizig: So sollen die Kohlendioxid-Emissionen bis 2050 gegenüber 1990 um 80 bis 95 % sinken – dazu muss die Energieproduktivität der Unternehmen jährlich um 2,1 % steigen.  Ein hoch gestecktes Ziel: Denn im Schnitt wurde in der deutschen Wirtschaft zwischen 2000 und 2010 jährlich lediglich ein Plus von 1,1 % erreicht.  Kein Wunder, dass der Chemieverband VCI bereits vor überzogenen politischen Forderungen warnt und ein Abwandern der Industrie ins Ausland prognostiziert.

Egal aus welchem Motiv der Wunsch nach immer energieeffizienteren Prozessen resultiert – den Trend dorthin beobachten nicht zuletzt die Hersteller von Wärmeübertragern, die dadurch zur Entwicklung von immer ausgefeilteren Lösungen zur Wärmerückgewinnung angetrieben werden.

Energienutzung mit neuen Wärmeübertragern optimieren

Diese beobachten in jüngster Zeit vor allem zwei gegenläufige Entwicklungen: Auf der einen Seite werden für neue Anlagen im World-Scale-Maßstab immer größere Apparate gefordert, auf der anderen Seite führt der Trend zur Spezialchemie in Deutschland dazu, dass vermehrt Wärmeübertrager notwendig sind, die hinsichtlich ihrer Medienbeständigkeit und der Leistung flexibel sein sollen. Dazu kommt, dass die in den existierenden „Brownfield“-Anlagen eingesetzten Apparate kompakt und leicht sein sollen, um Kapazitätserweiterungen bei gleichem Platzbedarf ermöglichen zu können.

„Wir beobachten immer häufiger, dass die Betreiber Produktionen an immer weniger Standorten konzentrieren, dort aber die Kapazität deutlich steigern“, beschreibt beispielsweise Markus Lentz, Head of Sales K-Flex beim Apparatehersteller Kelvion, die Entwicklung. Auch in solchen Anwendungen haben sich in den vergangenen Jahren vor allem Plattenwärmeübertrager häufig gegenüber anderen Bauweisen durchgesetzt. Sie zeichnen sich insbesondere durch eine hohe Leistungsdichte und die Anpassungsfähigkeit bezüglich Wärmeaustauschfläche, Plattengeometrie und Dichtfläche aus. Häufig verrichten die Plattenapparate heute dort ihren Dienst, wo vor zwei Jahrzehnten noch klassische Rohrbündelapparate eingesetzt worden wären. „Vor 30 Jahren hätte kaum jemand für möglich gehalten, dass Schwefelsäure in einem Plattenwärmeübertrager gekühlt wird, bei dem die Säure lediglich durch eine 0,6 mm starke Metallplatte vom Kühlmedium getrennt ist“, erklärt Christian Stoffers, Divisional Manager Energy bei Alfa Laval.

Den steigenden Sicherheitsbedürfnissen kommen die Hersteller dabei nicht nur durch neue Dichtmaterialien nach, sondern auch mit halb- und vollverschweißten Apparaten. Letztere sind zwar teurer als die vergleichsweise preiswerten gedichteten Plattenwärmeübertrager, sie zeichnen sich allerdings durch eine höhere Flexibilität aus, wenn der Apparat beispielsweise in einer Mehrzweck-Anlage der Spezialchemie mit unterschiedlichen Medien beaufschlagt wird. „Wir sehen vor allem in Deutschland in der Chemie ein steigendes Sicherheitsbedürfnis“, beobachtet Markus Lentz. Der Hersteller bietet für solche Lösungen neben verschweißten Plattenapparaten auch Doppelrohr-Sicherheitswärmeübertrager an. Der Sicherheit kommt auch deshalb steigende Bedeutung zu, weil in Europa immer strengere Grenzwerte für Schadstoffe in der Abluft von Industrieanlagen gelten. Um diese zu erreichen, werden Abgase immer intensiver behandelt – und auch hier spielen Wärmeübertrager eine zentrale Rolle.

Dazu kommt der Trend zu immer effizienteren Prozessen. Und obwohl hier in den vergangenen Jahren auch durch eine ausgefeilte Regelungstechnik große Fortschritte erzielt werden konnten, ist das Potenzial immer noch groß: „Wir wundern uns immer wieder, in wie vielen Prozessen immer noch richtig großes Einsparpotenzial besteht, sagt Markus Lentz. Um dieses zu heben, werden die Anlagen nicht nur nachgerüstet, sondern häufig auch neu durchdacht: „Immer häufiger werden Prozesse bei Erweiterungsprojekten hinterfragt, und man stellt fest, dass durch eine geänderte Prozessführung Energie eingespart werden kann“, ergänzt Christian Stoffers.

Projekte zur Energieeinsparung müssen sich innerhalb von zwei Jahren amortisieren

Die Betreiber in der Chemie haben dabei stets die Kosten im Blick: Rechnet sich ein Projekt nicht innerhalb von zwei Jahren, dann steht an der Investitionsentscheidung in der Regel ein großes Fragezeichen – selbst dann, wenn die Anlage voraussichtlich noch anderthalb und mehr Jahrzehnte laufen wird. Auf der anderen Seite kommen auch Nebenprozesse und niederkalorische Abwärmeströme in den Blickpunkt, die bislang ungenutzt verworfen wurden. Lassen sich diese technisch und wirtschaftlich sinnvoll erschließen, dann werfen solche Projekte in der Regel sofort Geld in Form von eingesparter Energie ab. Und die Anlagenbetreiber werden immer kreativer, wenn es darum geht, bislang ungenutzte Wärme einzusetzen: So berichtet beispielsweise Markus Lentz von einem Projekt, bei dem das Chemieunternehmen SKW niederkalorische Abwärme mit Vakuumkondensatoren nutzbar macht und dazu nutzt, um ein nahegelegenes Treibhaus für die Tomatenzucht mit Wärme zu versorgen.

Technisch möglich werden solche Anwendungen auch durch die jüngsten Erfolge bei der Weiterentwicklung von Wärmeübertragern. In besonderem Maße ist dies in jüngster Zeit beim „Shootingstar“ der Wärmeübertragungstechnik gelungen, dem Plattenapparat. Hier hat die Nutzung von Software zur Strömungssimulation zu neuen Plattengeometrien geführt, die heute beispielsweise den Betrieb bei Temperaturdifferenzen von lediglich einem Kelvin ermöglichen. Die gestiegene Leistung erschließt den Wärmeübertragern nicht nur neue Anwendungen, sondern erlaubt bei gleicher Leistung immer kompaktere Bauweisen. Gerade bei der Erweiterung oder Umrüstung bestehender Anlagen sind Platzbedarf und Gewicht wichtige Faktoren. Daneben können mit neuen Konstruktionen heute auch in gedichteten Plattenwärmeübertragern höhere Drücke gefahren werden – 30 bar und mehr sind hier inzwischen möglich.

Neben den Werkstoffen ist es insbesondere die Strömungsführung, die den technischen Fortschritt bei der Entwicklung von Plattenwärmeübertragern treibt. Eine Schlüsselrolle kommt dabei der Verteilzone zu. Deren Geometrie muss so gestaltet werden, dass in den Kanälen zwischen zwei Platten auch dann turbulente Strömungsverhältnisse herrschen, wenn der Apparat nicht im Auslegungspunkt, d. h. bei maximaler Durchströmung, sondern im Teillastbereich betrieben wird. Denn die Turbulenz wirkt sich nicht nur positiv auf die Wärmeübertragung aus, sondern verhindert auch das Ablagern von Stoffen auf den Flächen des Wärmeübertragers (Fouling).

Mit Messtechnik und Audits Instandhaltungskosten sparen

Um einen Leistungsverlust oder gar das Zusetzen eines Wärmeübertragers und damit den Ausfall der Anlage zu vermeiden, müssen die Apparate regelmäßig überwacht und gereinigt werden. Häufig geschieht dies heute immer noch nach festgelegten Wartungszyklen, beispielsweise jährlich. Hier sehen nicht nur die Hersteller, sondern auch die Betreiber selbst Einsparpotenziale, wenn Wartungszyklen verlängert werden können, indem der Apparat ständig oder regelmäßig überwacht wird. Die Apparatehersteller bieten dazu Servicekonzepte an, die immer häufiger als eigenständige Produkte vermarktet werden. So wird beispielsweise ein regelmäßiges Audit vertraglich vereinbart, bei dem Servicemitarbeiter ohne Eingriff in den Prozess Leistungsdaten (Temperatur- und Druckdifferenzen, Medienströmung) erfassen und aus dem Vergleich zwischen Soll- und Istzustand Vorschläge für eine zustandsbezogene Instandhaltung erarbeiten. „Budgets für Instandhaltungsmaßnahmen sind nach wie vor knapp und werden auch gern gekürzt. Mit entsprechenden Servicekonzepten kann der Spagat zwischen Instandhaltungskosten und Anlagenverfügbarkeit gelingen“, sagt Fabian Schega, Sales Manager Division Service, bei Alfa Laval. Solche Audits liefern zudem auch die Daten, um beispielsweise Maßnahmen zur Kapazitätssteigerung einer Anlage zu begleiten.

Dass Wärmeübertrager für die Verfügbarkeit einer Anlage wichtig sind, haben auch Anbieter von Automatisierungs- und Messtechnik erkannt. Statt einer regelmäßigen „Begehung“ und temporären Messungen entwickeln diese Lösungen, um Leistungsdaten von Wärmeübertragern permanent zu überwachen und die Informationen in Asset-Management-Systemen zu verarbeiten. So nutzt beispielsweise der Automatisierungshersteller Emerson drahtlose Übertragungstechnik, um Sensoren an Wärmeübertragern nachzurüsten und die Apparate auf diese Weise permanent zu überwachen. In der Praxis rechnet sich das durch optimierte Reinigungs- und Wartungszyklen und geringere Energie- und Kapazitätsverluste. Häufig fehle es den Leitsystemen in den bestehenden Anlagen allerdings an der Kapazität, zusätzliche Messstellen einzubinden und zu verarbeiten, berichtet Fabian Schega.

Standardisierung oder individuelles Engineering?

An einem langehegten Wunsch der Betreiber des Anlagenbaus und der Hersteller scheiden sich nach wie vor die Geister: die Standardisierung von Apparaten. So erhoffen sich Betreiber sowohl in der Anschaffung als auch im Betrieb Kosteneinsparungen durch den Einsatz standardisierter Wärmeübertrager. Und eigentlich sind hierzu gerade die gedichteten Plattenapparate prädestiniert. Auch Anlagenbauer könnten durch den Einsatz standardisierter Apparate Zeit und Planungskosten sparen. Und nicht zuletzt könnten Hersteller ihre Fertigung optimieren, wenn die Nachfrage nach standardisierten Produkten steigen würde. Hersteller wie Kelvion und Alfa Laval sehen hier zwar einen leichten Trend, allerdings scheitern Standards häufig an den individuellen Forderungen der Kunden – entweder weil diese eigene Werksstandards vorgeben, oder sich die Betreiber am Ende doch wirtschaftliche Vorteile durch eine individuell geplante Anlage ausrechnen. Vor allem die aktuell unter starkem Wettbewerbsdruck stehenden Anlagenbau-Unternehmen finden sich hier im Spannungsfeld konkurrierender Zielsetzungen zwischen Baum und Borke wieder.

Fazit: Die Entwicklung von Wärmeübertragern wird getrieben vom Trend nach einer immer effizienteren Energienutzung. Neben technischen Weiterentwicklungen wie Apparategeometrien für geringe Temperaturdifferenzen, höheren Drücken und dem Beherrschen von Fouling im Betrieb entwickeln die Hersteller Servicekonzepte für einen kostenoptimierten Betrieb. Und nicht zuletzt kann das Infragestellen eines Prozesses dabei helfen, große Potenziale bei der Energieeffizienz zu heben.

Produktfokus Wärmeübertrager in Ausgabe Mai 2017.

Heftausgabe: Mai 2017
Armin Scheuermann ist Chefredakteur der CHEMIE TECHNIK

Über den Autor

Armin Scheuermann ist Chefredakteur der CHEMIE TECHNIK
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