Energieeffiziente Nutzung der Kälteenergie von Flüssigstickstoff

Das Unternehmen DTS Systemoberflächen aus Möckern bei Magdeburg ist nicht nur Spezialist für das Oberflächendesign, sondern auch für die Gestaltung umweltfreundlicher Prozesse. Im Mittelpunkt steht dabei die Elektronenstrahl-Technologie (ESH), die vor 35 Jahren von der Wilhelm Taubert GmbH, der Muttergesellschaft des Unternehmens, weiterentwickelt wurde. Diese sorgt dafür, dass die elektronenstrahlgehärteten Oberflächen (Elesgo) nicht nur ästhetisch ansprechend, sondern auch robust und langlebig sind.

Dabei ist der Prozess für die Herstellung der kratzfesten Oberflächen hochkomplex. „Neben langjähriger Erfahrung erfordert dies viel Know-how, das Ergebnis ist jedoch eine hohe Qualität“, so Sarah Taubert. In dem Verfahren werden Elektronen beschleunigt und auf die zu beschichtende Oberfläche geschossen. Da dabei hohe Temperaturen entstehen, ist eine Kühlung der Produktionsanlagen notwendig. Hinzu kommt die Notwendigkeit einer Inertisierung des Reaktionsraums. Die Inertisierung erfolgt über Begasung mit Stickstoff (N2).

Hier kommt der Gasespezialist Linde ins Spiel, mit dem das Unternehmen seit über 30 Jahren zusammenarbeitet. „Immer, wenn wir Gase benötigen, haben wir bei Linde den richtigen Ansprechpartner“, so Sarah Taubert. Und zumindest vom Stickstoff benötigen die Oberflächenspezialisten eine ganze Menge. Der Stickstoff verdrängt im Prozess die umgebende atmosphärische Luft und damit den darin enthaltenen Sauerstoff. Das schließt eine Oxidation bei hohen Temperaturen aus und stellt die Oberflächenqualität sicher. „Die Temperaturen in dem Prozess dürfen nicht allzu sehr schwanken, diese liegen etwa zwischen 20 und 23 Grad Celsius. Sind die Temperaturen zu niedrig, kommt es zu Kondenswasser“, hebt Kilian Tenorth, Projektentwicklung bei Wilhelm Taubert, die Bedeutung einer konstanten Wassertemperatur hervor.

Generell sind die Mengen an benötigtem Stickstoff im Laufe der Jahre erheblich gestiegen. „Zum einen sind unsere produzierten Mengen mehr geworden und die Arbeitsbreite ist von 500 auf 1.600 Millimeter gestiegen. Damit steigen die Stickstoffmengen für die Inertisierung. Zum anderen wächst unser Unternehmen, derzeit erweitern wir unsere Flächen in Wesel um 6.000 Quadratmeter“, erklärt Sarah Taubert.

Daher ist man sehr an Lösungen interessiert, wie sich Stickstoff energieeffizienter nutzen lässt – nicht nur aus Kostengründen, sondern auch weil das Unternehmen Umweltschutz als Teil seiner Philosophie sieht. Das tiefkalte verflüssigte Gas muss für die Inertisierung zunächst verdampft und dann erwärmt werden. Dabei entsteht Kälteenergie, die bisher nicht genutzt wurde, sondern üblicherweise an die Umgebung abgegeben wird. Angesichts der immensen Investitions- und Betriebskosten für Kältemaschinen und dem wachsenden Augenmerk auf die Energieeffizienz und CO2-Reduzierung im Rahmen des allgemeinen Klimawandels, sollte die Kälteenergie der Flüssiggase für die Prozesskühlung genutzt werden.

Eine technische Lösung für diese Aufgabenstellung hat Linde mit dem Verfahren Cumulus RE entwickelt. „Dieses Verfahren passte gut zu unserem Anspruch, nicht nur umweltfreundliche Produkte anzubieten, sondern diese emissionsarme Technologie auch in unseren Prozessen anzuwenden“, bekräftigt Sarah Taubert. „Das Verfahren war auch ein wichtiger Baustein bei der Zertifizierung nach ISO 5001 der DTS Systemoberflächen GmbH“, ergänzt Kilian Tenorth.

Der Standort Möckern bot sich für die Erprobung des Verfahrens an. „Die Idee zu Cumulus RE entstand schon vor einigen Jahren. Damals war die Zeit jedoch noch nicht reif, weil die apparatetechnische Verknüpfung zweier ganz unterschiedlicher Systeme nicht so einfach ist. Man musste die Systeme für Heizung, Lüftung, Klimatechnik mit unseren Anlagen abstimmen. Hier waren saubere Schnittstellen zu definieren, Sicherheitssysteme und Lastwechsel zu beachten, die viele Engineeringleistungen nach sich zogen. Das alles musste in ein vernünftiges Gesamtkonzept integriert werden“, nennt Jörg Steinke, Projektleiter im Bereich Chemie – Energie – Umwelttechnik bei Linde, nur einige der technischen Herausforderungen. „Aber als die neue Maschine MA 3 in Möckern aufgebaut wurde, passte alles zusammen und wir konnten dort mit einer Art Pilotprojekt starten.“

Bei dem Verfahren wird die Kälteenergie durch die Flüssiggaskälte mit Hilfe eines Wärmeübertragers in die Rücklaufleitung der Kälteanlage beim Betreiber eingekoppelt. Die im Wasser enthaltene Wärme wird mithilfe eines Prozesswasserkühlers zur Verdampfung des flüssigen Stickstoffs genutzt und das Gas in die bestehende Versorgungsleitung eingeleitet. Eingesetzt werden kann das Verfahren in Produktionsprozessen, die sowohl größere Mengen an technischen Gasen als auch an Kälte benötigen.

Da das Verfahren durch eine ingenieurwissenschaftliche Untersuchung der Dualen Hochschule Baden-Württemberg Mannheim begleitet wurde, erhielten die Beteiligten sehr schnell belastbare und überzeugende Zahlen: Nach der Installation wurden 2019 im Werk Möckern 189,4 MWh/a Kälteenergie und 54,1 MWh/a elektrische Energie (mit Leistungszahl 3,5) eingespart. Auch beim Strombedarf überzeugte die Anlage schnell, rund 11.904 Euro pro Jahr standen hier positiv zu Buche. Gleichzeitig sinkt der CO2-Ausstoß nach deutschem Strommix um 26,5 t/a.

Neben den finanziellen Entlastungen spielen auch Redundanz und die Entlastung der Kühlaggregate eine große Rolle. Zwar gelten moderne Kältemaschinen als wartungsarm und nicht besonders störanfällig, und sie arbeiten bei entsprechender Platzierung mit nahezu konstanter Kälteleistung. Dennoch entlastet das Verfahren die Kältemaschinen, da der Verschleiß an den Anlagenteilen abnimmt. Die Maschinen können zudem meist kleiner dimensioniert werden.

Ein weiterer wichtiger Aspekt: Bei steigender Umgebungstemperatur – wie sie in den vergangenen Sommern täglich vorkam – verschlechtert sich der Wirkungsgrad, und die Wahrscheinlichkeit für einen Ausfall der Kältemaschine steigt. Im heißen Sommer 2018 konnte man bei DTS Systemoberflächen einen drohenden Ausfall der Kältemaschine dank des neuen Systems gleich verhindern. „Das Verfahren sorgt einfach für Prozesssicherheit. Wir setzen auf eine Kombination aus dem Cumulus-RE-Verfahren und den konventionellen Kältemaschinen, wobei die primäre Kälteleistung aus dem Cumulus-RE-Verfahren gewonnen wird“, ergänzt Tenorth.

Aufgrund der guten Erfahrungen setzt man das Verfahren seit Ende 2018 auch am Weseler Standort ein. „Die Anlagen sowohl im Werk Möckern als auch am Standort Wesel arbeiten problemlos“, so das Fazit von Taubert-Projektentwickler Tenorth. Aus dem Pilotprojekt ist mittlerweile ein Vorbild geworden: So haben inzwischen zehn weitere Kunden das Verfahren in ihre bestehenden Anlagen integriert.