Artikel Energiemehrfachnutzung senkt Produktionskosten

Im Gegensatz zu früher werden heute Aufwendungen betrieben, um Energie möglichst effizient und mit geringen Verlusten zu nutzen. Motoren haben bessere Wirkungsgrade, Leuchtmittel eine bessere Ausbeute, thermische Prozesse werden gedämmt, Wärmeübertrager bzw. Rekuperatoren helfen, Verluste zu reduzieren. Dieser Trend ist wichtig und hilft dabei, dem künftigen Umgang mit Energie verantwortungsvoll zu begegnen.

Ein weiterer Schritt ist es, Energie mehrfach zu nutzen respektive im Kreislauf zu führen. Mittels effizienter Simacovery-Technologie lassen sich verloren geglaubte Wärmemengen von einem Temperaturniveau zwischen 5 und 50 °C auf über 100 °C anheben. Auf diese Weise lässt sich eine Mehrfachnutzung der eingesetzten Primärenergie realisieren. In nahezu jedem Prozess, bei dem das Zu- oder Abführen von Wärmeenergie in bereits genanntem Temperaturbereich eine Rolle spielt, kann dieses System zum Einsatz kommen.

Einen Anwendungsbereich stellen Trocknungsanlagen dar. Diese haben typischerweise einen hohen Bedarf an thermischer Energie. Die mit Feuchte und Energie beladenen Brüden können dabei als Wärmequelle dienen. Über ein angepasstes Wärmeübertragersystem lässt sich den Brüden die Wärme sogar auf einem Niveau von unter 20 °C entziehen. Durch das Abkühlen der Abluft wird zudem die Kondensationswärme frei und lässt sich dem Trocknungsprozess erneut zuführen. Das Speichern der Energie wird in diesem Fall unnötig, da sie dem Prozess unmittelbar wieder zukommt.

Störende Wärme abführen und nutzen

In einigen Prozessen entsteht durch den Eintrag von elektrischer oder kinetischer Energie ungewollt Wärme. Diese Wärme kann den Prozess stören, indem sich die Produktqualität nicht aufrecht erhalten lässt; im schlimmsten Fall kann das Produkt unbrauchbar werden. Um dies zu verhindern, müssen Kühlsysteme die Wärmeenergie - häufig ungenutzt - abführen. Bei der elektrochemischen Tauchlackierung zum Beispiel würde der eingesetzte Lack ohne permanente Kühlung verfahrensbedingt immer wärmer. Beim Überschreiten der seitens Hersteller vorgegebenen maximalen Verarbeitungstemperatur würde dieser dauerhaft unbrauchbar. Diese Wärme kann erneut nutzbar gemacht werden. Dabei unterscheidet sich die Anwendung vom zuvor genannten Trocknungsprozess darin, dass der Anwender die Wärme in der Regel einem weiteren Prozess zuführt. Eine unmittelbare Kreislaufführung ist nicht automatisch gegeben: Da die zu beschichtenden Produkte vor der Beschichtung entfettet und getrocknet werden, kann das Entfettungsmedium aufgeheizt werden. Zusätzlich besteht die Möglichkeit, den nachgelagerten Trocknungsprozess mit der rückgewonnenen Energie zu versorgen.

Besonders im Bereich der Verfahrenstechnik ist der Einsatz der Rückgewinnungstechnologie sinnvoll. Um die erneut nutzbar gemachte Wärmemenge umfassend und vielseitig einzusetzen, bietet sich das Einspeisen in das Wärmeversorgungsnetz an. Auf diese Weise wird die Wärme bedarfsorientiert und zielgerichtet wiederverwendet. Durch Rückführen großer Teile der Energie und Umverteilung auf andere Unternehmensteile lässt sich die zusätzliche Energiezufuhr von extern minimieren. Der Gesamtenergieaufwand und somit die Energiekosten sind signifikant niedrig; der CO2-Ausstoß reduziert sich gleichermaßen.

Bei dem Energierückgewinnungssystem geben Wärmeübertragersysteme die Abwärme aus einer Wärmequelle an ein spezielles Arbeitsmedium weiter. Dieses Arbeitsmedium wechselt dabei seinen Aggregatszustand von der flüssigen zur gasförmigen Phase. Bedingt durch die Verdunstungsenthalpie kann es dabei große Wärmemengen aufnehmen. Der entscheidende Schritt bei der Wiedernutzbarmachung der Wärme ist das Verdichten des Arbeitsmediums; auf den Verdichtungsprozess folgt ein Anstieg der Temperatur. Dabei stellen Druck und Temperatur ein festes arbeitsspezifisches Wertepaar dar. Konkret bedeutet das, dass mit jeder Druckerhöhung auch eine Temperaturerhöhung einhergeht. Ein weiteres Wärmeübertragersystem verflüssigt das Arbeitsmedium. Die dabei frei werdende Verflüssigungsenthalpie wird dem Produktionsprozess in Form von Nutzwärme zurückgegeben, und das verflüssigte Arbeitsmedium steht dem Energiekreislauf erneut zur Verfügung.
Dieser Prozess lässt sich kontinuierlich und beliebig oft wiederholen. Für das System ist es dabei irrelevant, ob die Wärmemenge einem festen, flüssigen oder gasförmigen Medium entzogen wird. Ebenso spielt es keine Rolle, welchen Aggregatzustand das Medium besitzt, auf das die Wärme auf dem höheren Temperaturniveau übertragen wird. Der Anwender muss lediglich darauf achten, geeignete Wärmeübertrager zu verwenden. Für den Transport der rückgewonnenen Wärmemenge ist der Einsatz von elektrischer Antriebsenergie notwendig. Diese entspricht nur einem Bruchteil der rückgewonnenen Energie und fließt größtenteils selbst dem Prozess zu.

Der „coefficient of performance" drückt den Wirkungsgrad des Rückgewinnungsprozesses aus. Dabei wird der Nutzen durch den Aufwand geteilt. Je höher die Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle und -nutzen ist, desto höher ist die Aufwendung. In der Folge sinkt der Wirkungsgrad. Es ist also prinzipiell von Vorteil, wenn der gewünschte Temperaturhub nicht unnötig groß gewählt wird.

Integration allein durch Verrohrungsarbeiten möglich

Die Anlagen sind grundsätzlich in einer kompakten und übersichtlichen Modulbauweise ausgeführt. Dabei trägt das schallisolierte Gehäuse zu niedrigen Geräuschemissionen bei. Um Vibrationen nicht auf das Gebäude zu übertragen, ist das System mehrfach gummigelagert. Die hydraulische Einbindung erfolgt über Gummikompensatoren oder Flexschläuche. Auf Wunsch lassen sich drehzahlgesteuerte Hocheffizienz-Umwälzpumpen in das Aggregat integrieren. Dies bringt den Vorteil mit sich, dass bauseits lediglich Verrohrungsarbeiten zur Integration in den Prozess bzw. in das System notwendig sind. Bei der Auswahl der Systemkomponenten hat der Hersteller darauf geachtet, dass eine globale Verfügbarkeit gegeben ist.

Aufgrund der breiten Einsatzmöglichkeiten der Systeme sind diese in unterschiedlichen Leistungsstufen verfügbar. Der Leistungsbereich zwischen 10 und 500 kW lässt sich mit der Standardausführung der Anlagen abdecken. Bei Anwendungen größerer Leistung wird die Anlage an den Bedarfsfall angepasst, somit vergrößert sich der wirtschaftliche Nutzen weiter. Bei Anlagen mit mehreren Megawatt kommt ein modifiziertes Wärmeübertragerkonzept zum Einsatz, um höchste Wirkungsgrade zu ermöglichen.

Durch den Einsatz einer integrierten Leistungsregelung reagiert das System umgehend auf schwankende Lasten. Mittels einer modernen SPS mit Touchpanel und Prozessvisualisierung lässt sich jeder Zustand steuern, protokollieren und überwachen. Durch das Zusammenschalten von Anlagen und das Verbinden der Steuerung lässt sich ein Master-Slave-Betrieb realisieren. Dabei wird auf annähernd gleiche Auslastung der einzelnen Anlagen geachtet. Die Möglichkeit der Fernwartung erhöht die Anlagenverfügbarkeit zusätzlich.

Entscheider-Facts
Für Betreiber

• Energie lässt sich mehrfach nutzen respektive im Kreislauf führen.
• Bei Wärmerückgewinnungstechnologien bietet sich das Einspeisen der Energie in das
• Wärmeversorgungsnetz für bedarfsorientiertes und zielgerichtetes Wiederverwenden an.
• Bei der Entwicklung des Systems wurde auf geringen Wartungsaufwand auch bei Dauereinsatz von jährlich über 8.700 Betriebsstunden Wert gelegt.
• Je nach Anwendungsfall sind Amortisationszeiten von unter zwei Jahren möglich. Unter besonderen Voraussetzungen sind Amortisationszeiten von weniger als einem Jahr realistisch.

Autor: Karsten Uitz, geschäftsführender Gesellschafter, Simaka Energie- und Umwelttechnik
Ausgabe:02/2012 Februar