04106 Energieoptimierte Kühlwasserversorgung für Industrieunternehmen – Ein Beispiel aus der Automotive-Branche

Die Erzeugung von Kühlwasser für industrielle Prozesse zählt zu den äußerst energieintensiven Vorgängen im produzierenden Gewerbe. Die ortsunabhängige Bereitstellung von konstant temperiertem Kühlwasser stellt viele Unternehmen daher vor logistische und finanzielle Herausforderungen. Zudem birgt dieses Feld weitreichende Einsparpotenziale, die nicht nur im Zuge der aktuellen Energiepreisentwicklung, sondern auch aus ökologischen Gesichtspunkten immer interessanter werden. Der vorliegende Bericht bietet ein konkretes Praxisbeispiel, wie ein mittelständisches Unternehmen aus der Automotive-Branche sein Werk mit Kühlwasser versorgt und die Einsparpotenziale, auch im Rahmen eines zertifizierten Energiemanagementsystems, umgesetzt hat.

Nicht nur die Nahrungsmittelindustrie, die sicherlich aus produktqualitativen und gesundheitsrelevanten Gründen den größten Teil der erzeugten Prozesskälte benötigt (rund 110.000 GWh/a) [1], hat hohe Ansprüche an die Temperaturkonstanz ihrer Kühlsysteme. Neben der Klimatisierung privater und gewerblicher Einrichtungen stellt die Industriekälte mit etwa 5.000–10.000 GWh/a Gesamtkältebedarf [1] ebenfalls einen nicht vernachlässigbaren Anteil dar. Hier sind es vor allem temperatursensible Produktionstechnologien, die einen enormen Kühlwasserbedarf mit sich bringen.

Standort
Der Standort Aachen des Gummiherstellers ist verantwortlich für Entwicklung, Vertrieb und Produktion von Karosserie-Dichtungssystemen für die deutsche Automobilindustrie. Durch die Herstellung komplexer Dichtungssysteme aus Gummi bezieht sich der Gesamtkältebedarf in erster Linie auf die Extrusions- und Mischeranlagen. In energieintensiven Prozessen werden aus EPDM (Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk), Rohöl, Ruß und weiteren Chemikalien Gummimischungen erstellt, die anschließend extrudiert und bei hohen Temperaturen vulkanisiert werden. So müssen neben der Antriebs- und Walzenkühlung im Mischungsprozess auch große Mengen an Kühlwasser bereitstehen, um die bei rund 350 °C vulkanisierten Gummiprofile herunterzukühlen. Im Jahr entsteht somit ein Gesamtenergiebedarf zur Kälteerzeugung von nahezu 5 % des Gesamtenergieverbrauchs.

Die Erzeugung der Prozesskälte wird bei dem Unternehmen aus Aachen durch zwei Kältemaschinen des Typs RTAC 200 der Firma Trane realisiert. Dabei handelt es sich um Kompressionskälteanlagen mit jeweils zwei Schraubenverdichtern. Als Kältemittel wird R134a verwendet.

Kompressionskälteprozess
Das Prinzip des Kompressionskälteprozesses ist im Grunde mit dem des heimischen Kühlschranks zu vergleichen und gilt als Standard in der industriellen Kälteerzeugung. Ihm zugrunde liegt ein thermodynamischer Kreisprozess, in dem zunächst in einem Verdampfer das Kältemittel durch die dem Kühlwasser entzogene Wärme verdampft. Der Kältemitteldampf wird dann angesaugt und von den zwei Schraubenverdichtern komprimiert. Im anschließenden Verflüssiger kondensiert der Dampf und gibt dabei Wärme ab, die an die Umgebung abgegeben wird. An einem Reduzierventil wird das Kältemittel entspannt und kühlt dabei ab, um erneut dem Verdampfer zugeführt zu werden. Der große Energiebedarf der Kältemaschine erklärt sich durch die enorme Verdichtung des Kältemittels auf 19 bar. Die abgeführten Wärmemengen entsprechen in der Summe der am Verdampfer aufgenommenen Wärmemenge. In optimierten Anlagen kann diese abgegebene Wärme in anderen Prozessen oder zur Heizung genutzt werden.

Das von den Kältemaschinen temperierte Wasser zirkuliert im Werk in Aachen in zwei Kreisläufen von jeweils etwa 15 und 18 m3 Gesamtvolumen. Grund für die Trennung der beiden Kreisläufe sind räumliche Gegebenheiten, nicht etwa energetische Hintergründe.

Leistungszahl ε
Die Energieeffizienz von Anlagen zur Kälteerzeugung hat sich in den letzten Jahrzehnten enorm gesteigert. Aus diesem Grund kann eine Anschaffung neuer Kältemaschinen in einem bestehenden Kreislauf trotz hoher Investitionen durchaus sinnvoll sein. Die Energieeffizienz von Kältemaschinen lässt sich in der Leistungszahl ε (im Engl. auch: EER – Energy-Efficiency-Ratio) erkennen. Diese ist das Verhältnis der resultierenden Kälteleistung (QK) der Anlage zur eingesetzten technischen Arbeit (WT).

Somit gilt:

Bei dem Gummihersteller wurde im Werk Aachen die Kälteerzeugung bisher von zwei Kompressionskältemaschinen mit jeweils fünf Kolbenkompressoren realisiert. Diese besitzen eine Leistungszahl von ε = 3,5 laut Angabe, gemessen wurden allerdings nur ε = 2. Sie wurden in einem ersten Schritt ausgetauscht und durch zwei Kältemaschinen des Typs Trane RTAC 200 mit jeweils zwei Schraubenkompressoren ersetzt. Die Leistungszahl dieser Maschinen liegt bei ε = 4. Aus derselben Menge eingesetzter technischer Arbeit kann somit doppelt so viel Kälteleistung erzeugt werden.

Verschlechterte Energieeffizienz
Inwiefern eine regelmäßige Wartung des gesamten Systems ein finanzielles und energetisches Einsparpotenzial darstellt, ist nicht auf den ersten Blick ersichtlich. Eindeutig ist jedoch, dass die regelmäßige Wartung der teuren Kältemaschinen in jedem Falle günstiger ist als die Behebung von resultierenden Schäden aufgrund mangelhafter oder fehlender Wartung oder als eine frühzeitige Neuanschaffung. In den werkseigenen Kältemaschinen war auf jeden Fall eine deutliche Abnahme der Leistungszahl festzustellen. Der Hersteller der alten, zuvor im Werk verbauten Kältemaschinen gab eine Leistungszahl von ε = 3,5 an. Nach etwa zwanzig Jahren Betriebszeit wurden sie ausgetauscht und zuvor durchgeführte Messungen ergaben Leistungszahlen von ε < 2. Im Laufe der Zeit hat sich die Energieeffizienz der Kältemaschinen, die von äußerlichen Einflüssen nahezu unbeeinflusst bleibt, deutlich verschlechtert. Die Effizienzeinbußen können mit fehlenden Wartungen und Reinigungen der Verflüssiger und/oder Verdampfer korrelieren.

Zusätzliche Einsparmöglichkeiten bietet ein zunächst als Mehraufwand erscheinendes, umfangreiches Kühlwasserreinigungssystem. Doch die Reinhaltung und die Optimierung der physikalisch-chemischen Eigenschaften des Kühlwassers verringert maßgeblich die Wartungsintensität der Anlagen und verlängert die Lebensdauer von Rohr- und Pumpensystemen. Hinzu kommt eine deutliche Energieeinsparung aufgrund verbesserter Wärmeübertragung und -leitung. Das Werk verfügt daher über je eine Wasserreinigungsstation im Bereich der Pumpenstationen der Kühlkreisläufe. Hier wird in einem frei einstellbaren Zyklus Kühlwasser entnommen, durch eine Sandfilteranlage gepumpt und durch einen Feinfilter geleitet. Dem Kühlwasser wird in diesem Schritt zudem durch ein komplexes Vakuumverfahren Sauerstoff entzogen.

Chemische Zusammensetzung
Das Kühlwasser beinhaltet einen Korrosionsinhibitor, dessen Funktionen im Wesentlichen der Korrosionsschutz, die Härtestabilisierung und die Auflösung von Ablagerungen sind. Über eine Nachsatzstation wird wöchentlich eine Probenmenge des Kühlwassers entnommen und im Labor bzgl. pH-Wert und Konzentration des Korrosionsinhibitors überprüft. Es werden eine möglichst konstante Produktkonzentration sowie ein konstanter pH-Wert von 9,0–9,6 über eine Natriumhydroxid-Lösung eingestellt.