Beispiele von Prozeß- und Energieanlagen

Antrieb einer Kesselspeisepumpe

Vorteile der elektrischen Drehzahlregelung

Anordnung einer Kühlturmanlage

Kühlwasserverteilung

Drucklufttrocknung: Kombination Kälte-/Adsorptions-Trockner

Wärmerückgewinnung

Zweistufige, den Gegenstromeffekt nutzende Wärmerückgewinnungsanlage

Verdampfung: Vielstufig oder mit Mechanischer Brüdenverdichtung

 

 

Einführung

"Industrielle Energietechnik" läßt sich in zwei große Bereiche unterteilen /5/:

Zum einen in die eigentlichen Energieanlagen, d.h. die Anlagen zur Bereitstellung von Sekundärenergie, wie z.B. Heißwasser oder Dampf und Strom, aber auch Kühl- und Kaltwasseranlagen, Anlagen zur Bereitstellung von Druckluft als Arbeits- oder Steuerluft und auch Abwasserbehandlungsanlagen, im amerikanischen Sprachgebrauch als "utilities" bezeichnet, werden ihnen oft zugeordnet.

Der andere große Block sind die Prozeßanlagen selber, die ebenfalls häufig sehr energieintensiv sind, insbesondere diejenigen der thermischen Verfahren.

Oft stellt man fest, daß die den Verfahren zugrundeliegenden Ideen schon mehrere Ingenieurgenerationen alt sind und nur aufgrund unpassender wirtschaftlicher Rahmenbedingungen noch nicht im größeren Rahmen genutzt worden sind. Manche Lösungen waren auch aufgrund fehlender technischer Voraussetzungen noch nicht realisierbar. Denken wir nur an die neueren Entwicklungen im Wärmeaustauscherbau, die die Werkstoffe Glas, Graphit oder Teflon ermöglicht haben.

Andere Technologien sind seit Jahrzehnten geübte industrielle Praxis in Spezialanwendungen, bleiben aber auf diese Anwendungen beschränkt: Wasser kann z.B. als Arbeitsmittel in Hochtemperatur-Kompressionswärmepumpen eingesetzt werden. Großtechnische Erfahrungen liegen hier aus unzähligen Verdampferanlagen mit mechanischer Brüdenverdichtung vor. Diese werden als offene Arbeitsprozesse betrieben, die Verdampfer und Kondensator in einem Wärmeaustauscher vereinigen. Es ist aber auch möglich, diesen Kreisprozeß als geschlossen Wärmepumpenprozeß zu schalten. Bei geringen Temperaturdifferenzen mit trockener Verdichtung und bei höheren Temperaturdifferenzen mit nasser Verdichtung entsprechen sie dann fast dem idealen Carnot-Prozeß /6/.

Beispiele aus den "Prozeß-"Anlagen:
Die Palette der Beispiele ist riesig. Wie die Energieteams der Unternehmen bestätigen, setzen sich die Gesamteinsparungen der Betriebe meistens aus vielen kleinen Einzelmaßnahmen zusammen. Viele Möglichkeiten der Einsparung sind dabei meist schon in den Jahren der hohen Ölpreise genutzt worden:

So ist durch die Verbesserung des Dampf- und Kondensatnetzes, insbesondere der Kondensatableiter, aber auch durch Nutzung interner Abwärmequellen zur Beheizung, in den großen Chemiebetrieben trotz steigender Produktion der Dampfbedarf konstant geblieben bzw. sogar rückläufig gewesen, der spezifische Wärmebedarf also gesunken.

In manchen Fällen reicht die Verbesserung der vorhandenen Technologien zur Einsparung nicht mehr aus, sondern es wird ein Paradigmenwechsel notwendig, d.h., man muß auf eine andere Philosophie, auf ein anderes System umschwenken. Von den vielen Möglichkeiten werden Beispiele gezeigt, die sowohl in Prozeßanlagen als auch in Energieanlagen realisiert worden sind:

Antrieb einer Kesselspeisepumpe
Eine Kesselspeisepumpe wurde durch eine kleine Dampfturbine angetrieben, die aufgrund ihrer langen Betriebszeit verschlissen war und ersetzt werden sollte. Auf der Suche nach Einsparungspotential beim Ersatz der alten Turbine zeigte sich, daß auch die neue Turbine aufgrund der geringen Leistung nur einen sehr geringen Isentropen-Wirkungsgrad aufweisen würde: Signifikante Betriebseinsparungen waren nicht zu erwarten. Auf den ersten Blick schienen Wirkungsgradverbesserungen an der Turbine ohnehin nicht erforderlich, da der Abdampf dieser Turbine zur Speisewasservorwärmung genutzt wurde, eine nach dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik richtige Feststellung: Die Energie geht ja nicht verloren!?

Im dargestellten Betriebspunkt waren 40 t/h Speisewasser von 5 bar auf 90 bar zu fördern, als Antriebsdampf für die Turbine wurden 2 t/h 42 bar Dampf benötigt, der in der Turbine auf 1,5 bar entspannt und dann zur Speisewasservorwärmung im Entgaser genutzt wurde.

Eine deutliche Verbesserung ließ sich allerdings dadurch erzielen, daß der hohe Wirkungsgrad der im vorhandenen Industriekraftwerk installierten Gegendruckturbinen genutzt wurde. Das Konzept: Entspannt man den zum Antrieb der Speisewasserpumpe benötigten Dampf - in unserem Beispiel 2 t/h 42 bar Dampf - in der großen Gegendruckturbine des Kraftwerkes auf 5 bar (kleinste Druckstufe im vorhandenen Netz) und reduziert anschließend auf 1,5 bar, so läßt sich aufgrund des hohen Isentropen-Wirkungsgrades der großen Gegendruckmaschinen im Generator eine elektrische Leistung von 242 kW erzeugen.


Den Antrieb der Speisewasserpumpe übernimmt ein elektrischer Asynchronmotor, dessen Drehzahl über einen Spannungsfrequenzwandler (SFW) geregelt wird. Die Leistungsaufnahme dieses Asynchronmotors inklusive Wandler beträgt im vorgestellten Beispiel 156 kW, so daß eine Überschußleistung von 86 kW ins Industrienetz eingespeist werden kann; bei gleichem Bedarf an Antriebsdampf und ansonsten völlig gleichwertiger Erfüllung der übrigen Aufgaben, d.h. Antrieb der Speisepumpe und Aufheizung des Speisewassers. (In der genauen Rechnung wurde der für die Dampfturbine entnommene Enthalpiestrom natürlich mit berücksichtigt).

Technisch in diesem Zusammenhang ist noch interessant, daß der elektrische Antrieb mit einer Frequenz von ca. 70 Hz gefahren wird, d.h. die 2-polige Asynchronmaschine dreht mit 4200 U/min. Auf diese Art und Weise konnte auf die Installation eines Getriebes mit entsprechendem Servicebedarf verzichtet werden und zudem eine optimale Auslegung der Speisepumpe gewährleistet werden.

Neben den Erlösen aus der elektrischen Überschußleistung werden zusätzliche signifikante Einsparungen im Servicebereich für die Dampfturbine und das Getriebe erzielt. Das Mehrinvestment für den regelbaren Elektroantrieb war trotz niedriger interner Stromverrechnungspreise innerhalb eines Jahres durch Betriebskosteneinsparungen zurückgewonnen.

Die Drehzahlregelung von elektrischen Asynchronmotoren mit Spannungsfrequenzwandler, insbesondere für den Antrieb von Pumpen und Ventilatoren, stellt ohnehin bis in den MW-Bereich hinein mit konstant hohen Wirkungsgraden für die Antriebsseite wohl eines der interessantesten Mittel zur Einsparung elektrischer Energie dar. Im Bereich von mehreren 100 kW liegen die Investitionskosten als auch der benötigte Raumbedarf für die Aufstellung zur Zeit etwas höher als bei einstufigen, hydrodynamischen Wandlergetrieben, dafür erreicht man allerdings besonders im Teillastbereich deutlich höhere Wirkungsgrade.

Im Leistungsbereich oberhalb 1 MW werden bei passenden Übersetzungsverhältnissen auch auf den optimalen Betriebspunkt ausgelegte (und auch dort betriebene!) Planetengetriebe mit überlagerten hydrostatischen Getrieben sowohl von den Investitionskosten als auch vom Wirkungsgrad her interessant.

Vorteile der elektrischen Drehzahlregelung

Weitere Vorteile der elektrischen Drehzahlregelung mit Spannungs-Frequenz-Wandler sind:

Anordnung einer Kühlturmanlage
Eine mehrgeschossige Produktionsanlage mußte mit einer Kühlwasseranlage versehen werden. Der erste Entwurf der beauftragten Ingenieurfirma sah die Aufstellung eines Kühlturmes neben dem Prozeßgebäude vor. Der gesamte Kühlwasserbedarf betrug etwa 1000 m³/h. Die benötigte Förderhöhe der Kühlwasserumwälzpumpen betrug über 5 bar, davon waren allein 4 bar für die Überwindung der geodätischen Höhe bis in die oberste Etage von 40 m notwendig. Die aufgenommene Antriebsleistung der Pumpenmotoren betrug 200 kW.


Alternativ zu dieser Lösung wurde die Aufstellung von 3 bis 4 Serienkühltürmen auf dem Dach des Produktionsgebäudes untersucht. Aufgrund des Wasserspeichers im Kühlturmbecken waren nun nur noch 5 m statische Förderhöhe zu überwinden, neben den natürlich auch hier vorhandenen Druckverlusten im Kühlwassersystem mit Rohrleitungen, Regelventilen und Wärmeaustauschern. Die Pumpenleistung ließ sich auf diese Art und Weise auf 70 kW, also ein Drittel reduzieren. Zusätzlicher Effekt: Die verursachte CO2-Emission verringerte sich incl. Teillastregelung um 150 t/a.

Darüber hinaus konnte das Gesamtinvestment deutlich gesenkt werden: Die geringfügige Verstärkung des Stahlskeletts des Produktionsgebäudes wurde durch kleinere Pumpen, durch Wegfall der großen verbindenden Rohrleitungen mit Rohrleitungsbrücken sowie der Fundamentplatte des nebenstehenden Kühlturmes überkompensiert.

Kühlwasserverteilung

In einem anderen Beispiel, ebenfalls aus dem für viele Produktionsbereiche geltenden allgemeinen Kühlwasserbereich, mußte ein Kühlwassernetz mit Kühlturmanlage für die Versorgung eines Gebäudes bereitgestellt werden. Hauptverbraucher waren zwei große Absorptionskältemaschinen, die etwa 85 % des Kühlwasserbedarfs benötigten. Der Rest verteilte sich auf mehrere kleine Verbraucher, die sich zum Teil auch noch in einem etwas höher gelegenen Produktionsabschnitt befanden, auf dem kein Kühlturm mehr installiert werden konnte.

Statt nach üblichem Design das Gesamtgebäude mit einer gemeinsamen Pumpenanlage zu bedienen, wurden die Kühlwasserströme zur Absorptionsanlage und zu den übrigen Verbrauchern aufgeteilt und zudem beide mit elektrischer Drehzahlregelung über Spannungsfrequenzwandler versehen. Auf diese Art und Weise konnte der Kreislauf zu den Absorptionskälteanlagen, der 85 % des Gesamtbedarfes ausmachte, mit wesentlich geringeren Druckverlusten gefahren werden als die übrigen Verbraucher, der elektrische Bedarf ließ sich so von 50 kW auf ca. 20 kW senken.

Drucklufttrocknung: Kombination Kälte-/Adsorptions-Trockner

Bei der Drucklufttrocknung für Instrumentenluft wurde die bekannte Kombination Kälte-Adsorptions-Trockner dadurch ergänzt, daß die noch kalte Luft (ca. 3 °C) aus dem Adsorber in einen zusätzlichen Wärmeaustauscher des Kältetrockners zurückgefahren wurde, um die in den Kältetrockner eintretende feuchte Luft noch weiter abzukühlen und dabei weiter zu entfeuchten. Neben der bekannten optimalen Betriebsweise des Adsorptionstrockners durch Nutzung der kalten vorgetrockneten Luft nach dem Verdampfer der Kälteanlage (niedrigerer Taupunkt, 100 % gesättigt, niedrigerer Energiebedarf zur Regeneration, deutliche längere Arbeitszyklen) ergaben sich aus dieser Schaltung folgende zusätzliche Vorteile:

Wärmerückgewinnung

Neben der vorrangigen direkten Optimierung der Produktionsprozesse gibt es natürliche noch das riesige Feld der Wärmerückgewinnung. Daß auch hier eine geschickte Auslegung sehr viel Gewinn bringen kann, soll das folgende Beispiel zeigen

Zweistufige, den Gegenstromeffekt nutzende Wärmerückgewinnungsanlage

An einem Stromrohrtrockner und einem Rohrbündelkontakttrockner sollte eine Wärmerückgewinnungsanlage konzipiert werden. Die zurückgewonnene Wärme sollte zur Vorwärmung des großen Zuluftstroms des Stromrohrtrockners genutzt werden.

Zwei sehr unterschiedliche Abluftströme standen zur Verfügung: Der große Massenstrom des Stromrohrtrockners mit einer Temperatur von t = 52°C (nach Gebläse 58°C) und einer Taupunkttemperatur von tT = 40°C sowie der "kleine", aber eine sehr hohe Rate Wasserdampf enthaltende Brüdenstrom des Kontakttrockners.

Erste Vorschläge sahen vor, die Brüden des Rohrbündelwärmeaustauschers zur Wasserdampfanreicherung in die Abluft des Stromrohrtrockners einzuleiten und dann in einem Glasrohrwärmeaustauscher in Kreuzstromschaltung zur Zuluftvorwärmung des Stromrohrtrockners zu nutzen.


Bild 2.3 Zweistufige Ausführung und Nutzung von Gegenstromeffekten führen bei einer
Wärmerückgewinnungsanlage mit Glasrohren bei 10% Mehrinvestment zu einer
um 60% höheren Wärmerückgewinnungsleistung

Eine Überarbeitung des Konzepts führte zu der in Bild 2.3 skizzierten Schaltung: Die unterschiedlichen Brüden der Trockner werden getrennt in zwei Stufen genutzt und diese noch einmal optimiert. So wird in Stufe I aus der Kreuzschaltung der Kreuzgegenstrom; neben der etwas höheren Temperatur nach der ersten Stufe ist dadurch insbesondere im Winter bei niedrigen Außentemperaturen kaum ein Temperaturabfall der erwärmten Zuluft (statt früher über 40 K jetzt nur noch 4 K) festzustellen: Es kondensiert in der ersten Teilstufe einfach etwas mehr Wasser! Von den gerechneten 4-, 6- und 8-stufigen Varianten der Stufe II wurde die 6-stufige gewählt.

Thermodynamisch gesehen wurde hier die Vernichtung von Arbeitsfähigkeit durch Mischung vermieden. Das Ergebnis: Bei einer Erhöhung des Gesamtinvestments um ca 10 % konnte bei nochmaliger Verbesserung des Betriebsverhaltens der zurückgewonnene Wärmestrom um 60 % erhöht werden.

Verdampfung: Vielstufig oder mit Mechanischer Brüdenverdichtung
Verdampferanlagen mit mechanischer Brüdenverdichtung lassen sich mit geringeren Temperaturdifferenzen betreiben, als dies bei gleichwertigen thermischen, vielstufigen Anlagen aufgrund des hohen apparativen Aufwandes möglich wäre. In Verbindung mit Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlagen lassen sich erhebliche Mengen CO2 einsparen.

Die Vergleichsrechnung zeigt, daß im "Inselbetrieb" die Verdampfung mit sehr geringen Temperarturdifferenzen und mechanischer Brüdenverdichtung (MBV) und der Strombereitstellung aus einem gasgefeuertem GUD-Kraftwerk (oder aus einer gasgefeuerten GUD-KWK-Anlage) die geringsten CO2-Emissionen ausweist. Im bestehenden Netz mit kohlegefeuerten Mittellast-Kondensationskraftwerken dagegen führen vielstufige Verdampfer, die ihren Dampfbedarf aus GUD-KWK-Anlagen beziehen, zu deutlichen Absenkungen der Gesamtemissionen.


Bild 2.4 Verdampfungsanlagen: vielstufig thermisch oder mit mechanischer Brüdenverdichtung

Bei der Beheizung von Prozessen lohnt sich der Übergang auf elektrische Systeme aus ökologischer Sicht erst dann, wenn die erheblich höheren spezifischen Emissionen des Stroms gegenüber fossil bereit gestellter Wärme überkompeniert wird:


Bild 2.5 CO2-Emissionen verschiedener Brennstoffe und zum Vergleich
Strom aus Steinkohle-Mittellastkraftwerken