Verloren geglaubte Wärme zurückgeführt

Der Autor: Karsten Uitz Geschäftsführender Gesellschafter, Simaka Energie- und Umwelttechnik

Der Bedarf an Wärmeenergie ist in unzähligen Produktionsprozessen unabdingbar. Dieser wird in der Regel durch das Verbrennen fossiler Energieträger, wie Öl oder Gas, gedeckt. Dabei ist es gang und gäbe, sich der Energie nach dem Gebrauch zu entledigen. In vielen Fällen wird sogar für die Beseitigung von Energie Aufwand in Kauf genommen. So wird z. B. bei dem Betrieb von Kühltürmen, Rückkühlern und Kühlmaschinen elektrische Energie aufgewendet, um thermische Energie zu entsorgen. Der verschwenderische Umgang mit thermischer Energie liegt zum einen an den niedrigen Energiepreisen in der Vergangenheit. Zum anderen sind die Gründe dafür im zweiten Hauptsatz der Thermodynamik zu finden: „Wärme kann nicht von selbst von einem Körper niedriger Temperatur auf einen Körper höherer Temperatur übergehen“ (Quelle: Wikipedia). Genau hier setzt die Simacovery-Technologie an. Die zukunftsweisende Technologie wurde mit mehreren Innovationspreisen ausgezeichnet.

Bei der Simacovery-Technologie wird Abwärme mittels Wärmetauschersysteme auf ein spezielles Arbeitsmedium übertragen. Dieses Arbeitsmedium wechselt dabei den Aggregatzustand von der flüssigen zur gasförmigen Phase. Bedingt durch die Verdunstungsenthalpie können dabei große Wärmemengen aufgenommen werden. Der entscheidende Schritt bei der Wiedernutzbarmachung der Wärme ist das Verdichten des Arbeitsmediums. Der Verdichtungsprozess hat einen Temperaturanstieg zur Folge. Über ein weiteres Wärmetauschersystem wird das Arbeitsmedium verflüssigt. Die dabei frei werdende Verflüssigungsenthalpie wird dem Produktionsprozess in Form von Nutzwärme zurückgegeben. Das verflüssigte Arbeitsmedium steht dem Energiekreislauf erneut zur Verfügung. Dieser Prozess lässt sich kontinuierlich und beliebig oft wiederholen.

Sinnvoll nutzbare Wärmequellen sind Abwärmeströme auf einem Temperaturniveau von 5 bis 50 °C. Je nach Wärmequelle kann Nutzwärme auf einem Temperaturniveau zwischen 50 und 108 °C generiert werden. Um einen optimalen Wirkungsgrad sicherzustellen, stehen derzeit vier unterschiedliche Arbeitsmedien für unterschiedliche Betriebspunkte zur Verfügung. Mittels Simacovery lassen sich Wärmeströme von 10 kW bis mehrere Megawatt zurückgewinnen. Um einen möglichst hohen wirtschaftlichen Nutzen zu erzielen, ist bei der Dimensionierung der Systeme auf den Wirkungsgrad besonders zu achten. Der Wirkungsgrad definiert sich über die Leistungszahl (Coefficient of Performance, kurz COP). Diese drückt das Verhältnis von nutzbarer Wärme- bzw. Kälteleistung zu eingesetzter Leistung bei Kälteanlagen und Wärmepumpen aus.

Gerade in der Chemieanlagentechnik spielt die thermische Verfahrenstechnik eine große Rolle. In Destillationskolonnen wird zum einen Wärme eingesetzt, um die zu bearbeitenden Medien zu verdampfen. Zum anderen wird nur wenige Augenblicke später ein ähnlicher Betrag an Wärme abgeführt, um das verdunstete Gemisch auf unterschiedliche Temperaturniveaus zu kondensieren, und somit die gewünschte Trennung der Stoffe zu erreichen. Die eingesetzte Wärmemenge lässt sich normalerweise nur bedingt rückgewinnen. Die Simacovery-Technologie ermöglicht es, die einmal eingesetzte Energie weitestgehend im Kreislauf zu führen.

Dabei wird die freiwerdende Kondensationswärme als Wärmequelle genutzt und im vollen Umfang auf ein höheres Temperaturniveau angehoben. Die nun zur Verfügung stehende Heizenergie kann direkt zur Verdampfung des zu trennenden Gemisches verwendet werden.

Auch bei exothermen Prozessen kann die frei werdende Prozesswärme, die in der Regel abzuführen ist, aufgenommen werden und nach der Aufbereitung einem weiteren thermischen Prozess auf höherem Temperaturniveau nutzbringend zugeführt werden. Unterschiedlichste Kühlaufgaben müssen künftig als Wärmequelle für thermische Prozesse angesehen werden. Abzuführende Wärmemengen können dem Betreiber solcher Anlagen durch die erneute Nutzbarmachung enorme Energiekosten einsparen. Beinahe wöchentlich wird das Simaka-Team mit neuen Anforderungen aus der chemischen Verfahrenstechnik konfrontiert.

Aufgrund der breiten Einsatzmöglichkeiten der Systeme sind diese in unterschiedlichen Leistungsstufen verfügbar. Der Leistungsbereich zwischen 10 und 500 kW kann mit Standardanlagen abdeckt werden. Bei Anwendungen größerer Leistung wird die Anlage an den Bedarfsfall angepasst und somit der wirtschaftliche Nutzen maximiert. Bei den Anlagen mit mehreren Megawatt kommt ein modifiziertes Wärmetauscherkonzept zum Einsatz, um höchste Wirkungsgrade sicherzustellen.

Durch das Verwenden einer integrierten Leistungsregelung wird auf schwankende Lasten umgehend reagiert. Mittels SPS mit Touchpanel und Prozessvisualisierung lässt sich jeder Zustand steuern, protokollieren und überwachen. Die Bedienung der Steuerung ist intuitiv und gleicht modernen Smartphones. Durch das Zusammenschalten von Anlagen und Verbindung der Steuerung lässt sich ein Master-Slave-Betrieb realisieren. Dabei wird darauf geachtet, dass die einzelnen Anlagen annähernd gleich ausgelastet werden. Somit wird ein redundanter Betrieb realisiert. Die Möglichkeit der Fernwartung erhöht die Anlagenverfügbarkeit zusätzlich. Schon bei der Entwicklung des Systems wurde darauf geachtet, dass die Anlagen auch bei Dauereinsatz von jährlich über 8700 Betriebsstunden mit geringem Wartungsaufwand zuverlässig arbeiten.

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