TGA Energietechnik

TGA Ausgabe 10-2015
Hochtemperaturwärmepumpen

Höherer Ertrag durch Energierecycling


1 Außen aufgestellte Energierecycling-Anlage bei der Audi AG in Brüssel für die KTL-Beschichtung von Automobil-Karosserien.

1  Außen aufgestellte Energierecycling-Anlage bei der Audi AG in Brüssel für die KTL-Beschichtung von Automobil-Karosserien.

Bei vielen Fertigungsprozessen muss viel Energie investiert werden, um ein optimales Produkt zu erhalten. In allen beteiligten Prozessen wird dabei Energie in Form von Wärme freigesetzt. Zeitgleich muss in den meisten Unternehmen weitere externe Energie zugeführt werden, um an anderer Stelle zu heizen oder zu kühlen. Eine Möglichkeit, hier entgegenzusteuern, bietet eine von Simaka entwickelte Hochtemperaturwärmepumpe. Energiekosten für Kühlung und Beheizung lassen sich so durch Energierecycling vermeiden, wie ein Einsatzbeispiel bei der KTL-Beschichtung von Automobil-Karosserien verdeutlicht.

Kompakt informieren

Sich zeitlich überschneidende und räumlich dicht zusammenliegende Bedarfe an Wärme- und Kälteenergie für einen Produktionsprozess oder in einem Unternehmen sind prädestiniert für das Energierecycling mit Wärmepumpen.

Gegenüber der separaten Erzeugung von Wärme und Kälte können so die Energiekosten deutlich gesenkt und so der Ertrag und die Wettbewerbsfähigkeit sowie die Nachhaltigkeit gesteigert werden.

Bei vielen erprobten Anwendungen lassen sich durch das Energierecycling mit Wärmepumpen sehr kurze Amortisationszeiten erzielen.

Der Schlüssel für eine nachhaltige und energieeffiziente Produktion ist Energierecycling. Dafür wird bei Produktionsprozessen freigesetzte Abwärme auf niedrigem Temperaturniveau als Wertstoff angesehen und durch das Anheben des Temperaturniveaus wieder nutzbar gemacht. Durch die Kreislaufführung von Energie können Wärmerückgewinnungsanlagen die Energiekosten eines Unternehmens senken, sowie den Ertrag, die Wettbewerbsfähigkeit und die Nachhaltigkeit steigern.

Energiegewinnung aus Abwärme

Die von Simaka Energie- und Umwelttechnik entwickelte Hochtemperaturwärmepumpe kann in nahezu jedem Prozess eingesetzt werden, bei dem das Zu- oder Abführen von Wärmeenergie eine Rolle spielt. Abwärme jeglicher Art über 5 °C kann als Wärmequelle verwendet werden, um daraus Nutzwärme mit einem Temperaturniveau von bis zu 108 °C zu erzeugen.

Zu den technischen Anwendungen gehören beispielsweise Rückkühler von Blockheizkraftwerken (BHKW), Kältemaschinen, gewerbliche und industrielle Abwässer, warme Abluftströme aus Produktionsprozessen, verschie-denste Fluide und wie nachfolgend be-schrieben die Prozesswärmenutzung beim KTL-Beschichtungsprozess (Kathodische Tauchlackierung).

Die Wärmeleistung variiert bei den verschiedenen Anwendungen zwischen 10 kW und mehreren Megawatt. Über ein modular aufgebautes System werden kundenspezifisch optimierte Lösungen erreicht.

Die allgemeine Funktionsweise einer Kompressions-Wärmepumpe ist einfach, aber für das Energierecycling sehr effektiv: Abwärme wird mithilfe eines Wärmeübertragers auf ein Arbeitsmedium (Kältemittel) überführt, das dabei seinen Aggregatzustand von der flüssigen zur gasförmigen Phase wechselt. Durch die Verdampfungsenthalpie kann es dabei große Wärmemengen aufnehmen.

Beim nachfolgenden Verdichtungsprozess entsteht die Temperaturanhebung, wobei Druck und Temperatur ein festes, fluidspezifisches Wertepaar darstellen. Anschließend wird das Arbeitsmedium in einem weiteren Wärmeübertrager wieder verflüssigt. Die dabei frei werdende Verflüssigungsenthalpie wird in Form von Nutzwärme abgegeben. Das verflüssigte Arbeitsmedium wird entspannt und steht dann dem Kreisprozess erneut zur Verfügung.

Für den Verdichtungsvorgang des Arbeitsmediums ist mechanische (elektrische) Antriebsenergie notwendig. Allerdings macht diese nur einen geringen Anteil der zurückgewonnenen Energie aus und fließt größtenteils dem Prozess zu. Umso geringer die Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle und Wärmenutzung ist, desto weniger Antriebsenergie wird benötigt. Um diese Abhängigkeiten bestmöglich auszunutzen, ist viel anwendungsspezifisches Know-how über den eigentlichen Kältemittelkreislauf hinaus erforderlich, beispielsweise bei der Auswahl und der Dimensionierung hocheffizienter Wärmeübertrager. So können zum Beispiel beim KTL-Beschichtungsprozess – bei dem der thermische Nutzen aus Heizen und Kühlen besteht – mit einer Simacovery-Hochtemperaturwärmepumpe auch in der Praxis dauerhaft COP-Werte zwischen 6 und 12 erreicht werden.

Ein weiterer Aspekt ist die Regelung, denn bei Produktionsprozessen sind enge Toleranzen unbedingt einzuhalten. Eine schnelle Reaktion des Systems bei schwankenden Lasten wird über eine SPS-Steuerung und eine integrierte Leistungsregelung erreicht. Über ein Touch-Panel mit kundenspezifischer Prozessvisualisierung lässt sich die Anlage intuitiv steuern und überwachen. Dafür kommuniziert die Anlage bei Bedarf mit der Leittechnik oder anderen Steuerungen und lässt sich in den Gesamtprozess integrieren.

Abwärme recyceln

Ein Einsatzbeispiel ist die Wärmerückgewinnung bei der KTL-Beschichtung von Automobil-Karosserien. Durch den verfahrensbedingten Eintrag von elektrischer Energie im KTL-Becken entsteht als ungewolltes Nebenprodukt Wärme, die den Tauchlack bei dauerhaftem Überschreiten der Verarbeitungstemperatur unbrauchbar machen würde. Um dies zu verhindern, wird bisher üblicherweise die Wärmeenergie unter elektrischem Aufwand über konventionelle Kältetechnik entzogen und an die Umwelt abgeführt, wofür weitere elektrische Energie aufgewendet werden muss.

Diese Kosten lassen sich einsparen, denn die Wärme aus dem KTL-Prozess eignet sich ideal, um erneut nutzbar gemacht zu werden. Die recycelte Nutzwärme lässt sich zielgerichtet im Unternehmen wiederverwenden und so die externe Energiezufuhr verringern. Der gesamte Primärenergieaufwand und somit die Energiekosten sinken signifikant, gleichzeitig wird der CO2-Ausstoß verringert.

Zu den Unternehmen, die dieses Kon-zept nutzen, gehört nun auch ein Standort der Audi AG in Brüssel. In der dortigen KTL-Anlage wird derzeit eine Energierückgewinnungsanlage mit einer Gesamtwärmeleistung am Nennbetriebspunkt von ca. 1230 kW und einem COP von 6,9 (bei gleichzeitiger Nutzung von Wärme und Kälte) installiert. Im realen Anlagenbetrieb wird eine Wärmeenergieeinsparung von ca. 3,55 Mio. kWh/a erwartet, wodurch sich die Investition sehr schnell refinanziert.

Inhaltsübersicht

  1. Teil: Höherer Ertrag durch Energierecycling
  2. Teil: Martin Endras, B.Eng.
  • 2  Vereinfachtes Schema zum Kühlungsprozess eines KTL-Beckens.

  • 3  Dipl.-Ing. (FH) Karsten Uitz (links), Geschäftsführer von Simaka, erklärt eine Simacovery-Hochtemperaturwärmepumpe.

Simaka

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