Umweltschonend heizen und kühlen

Dipl.-Ing. (FH) Matthias Mohr

Chemische Reaktionen erfordern einen zeitlich optimierten Ablauf, damit Qualität, Reproduzierbarkeit sowie eine kostengünstige Herstellung der Produkte gewährleistet werden können. Dieser Ablauf wird über die entsprechenden Prozessparameter sicher gestellt. Die Temperatur ist eine der wichtigsten Prozessführungsgrößen und entscheidend für die Qualität des Endproduktes. Um die gewünschten Temperaturen innerhalb des Reaktors, also im Produkt zu erreichen, muss eine gewisse Menge an Energie von einem Heiz- und Kühlsystem (Bild 1) zu- bzw. abgeführt werden. Dabei sind erhebliche Energieeinsparungen möglich, die jedoch den Vergleich von verschiedenen Konzepten voraussetzen.

Die Anforderungen an das Temperaturprofil sind vielfältig. Grundsätzlich sind bei chemischen Prozessen in einer Charge Heizen und Kühlen sowie Temperaturrampen über einen bestimmten Zeitabschnitt erforderlich und haben eine energetisch aufwendige Fahrweise zur Folge. Die Temperaturkurve (Bild 2) zeigt ein praktisches Beispiel der gewünschten Produkttemperatur innerhalb eines Batchreaktors (630 l). Die einzelnen Verfahrensschritte sind dabei:

Oft stehen am geplanten Produktionsstandort Energieschienen wie Sattdampf (6 barü), Kühlwasser (25 °C), Kühlsole sowie elektrische Energie zur Verfügung. In seltenen Fällen ist eine Versorgungsleitung mit flüssigem Stickstoff für Tiefkälteanwendungen vor Ort. Ob und in welchem Umfang diese Energieschienen genutzt werden, ist in vielen Fällen eine Frage der Investitionskosten. Grundsätzliche Anforderungen wie Temperaturkonstanz von ±1 K, nahtloser Übergang von Heizen auf Kühlen im gesamten Temperaturbereich und umgekehrt, kompakte Bauweise der Anlage, servicefreundlicher Aufbau, geringer Wartungsaufwand und hoher Qualitätsstandard sind selbstverständlich. Im Gegensatz dazu stehen in vielen Fällen die Anforderungen des Einkäufers, der geringe Investitionskosten, kurze Lieferzeiten fordert. Eine Energieeffizienzbewertung sowie eine Abschätzung der CO2-Emissionen einer Anlage wird selten während der Beschaffung in Betracht gezogen, um die Investitionskosten zu limitieren oder gar zu senken.

Von großer Bedeutung für den Energieeinsatz sind die geometrischen Daten des angeschlossenen Rührbehälters, die den Wärmeübergang vom Behältermantel auf das Produkt maßgeblich beeinflussen. In den meisten Fällen kommen Doppelmantelbehälter oder Behälter mit aufgeschweißter Halbrohrschlange zum Einsatz. Über die Drehzahl des eingesetzten Rührwerkes kann der Wärmeübergang zum Behältermantel positiv beeinflusst werden.

Gerade hier kann eine ökologische Gesamtbetrachtung in der Planungsphase des Heiz- und Kühlsystemes in Verbindung mit dem Rührbehälter langfristig ein erhebliches ökonomisches Einsparpotenzial mit sich bringen, da sich die Betriebskosten verringern. Mit dem ausgereiften Berechnungstool (Delta T Reactor) ist es möglich, die Geometrie von Rührbehältern und des dazugehörigen Rührwerkes hinsichtlich der Wärmeübertragung zu vergleichen (Bild 3).

Hinsichtlich der benötigten Kapazität ist es notwendig, dass Heizleistung sowie Kühlleistung auf die maximalen Betriebsbedingungen, d. h. auf den größten Temperaturhub ausgelegt werden. Dazu muss anhand der Betriebsparameter eine detaillierte Energiematrix erstellt werden, die in jedem Status des Prozesses den maximal benötigten Energieeinsatz darstellt. Bei solchen extremen Temperaturrampen bietet der Einsatz eines Reaktors mit Halbrohrschlange einen erheblichen Vorteil, da durch die hohe Strömungsgeschwindigkeit innerhalb des Behältermantels ein sehr guter Wärmeübergangskoeffizient erreicht werden kann. Doppelmantelreaktoren erfordern grundsätzlich eine erheblich höhere Temperaturdifferenz zwischen der gewünschten Temperatur des Produktes innerhalb des Reaktors und des Wärmeträgermediums im Mantel. Durch den modularen Aufbau der Lauda-Anlagen ist eine individuelle Konfiguration bezüglich der Anwenderanforderung gewährleistet. Alle am Standort des Anwenders vorhandenen und verfügbaren Energien können problemlos integriert werden. Mit dem Modulkonfigurator kann den Anforderungen entsprechend ein Anlagenkonzept entworfen werden.

Betriebswirtschaftlich relevant sind für den Betreiber bisher lediglich die Gesamtenergiekosten, die sich hauptsächlich nach dem Stromverbrauch (kWh) richten. Ökologisch hingegen ist der Primärenergieverbrauch ein Maß für den Ausstoß des klimaschädlichen Treibhausgases CO2. Für die Erzeugung von einer kWh Strom muss in Deutschland etwa die dreifache Menge an Primärenergie aufgewendet werden, wobei etwa 0,6 kg CO2 emittiert werden. Die Primärenergieeinsparung ist dreimal so groß wie die Einsparung an Endenergie (Strom). Bei den meisten Heiz- und Kühlsystemen verursacht der Stromverbrauch als indirekter CO2-Emittent den höchsten Anteil am Treibhauseffekt. Betrachtet man die gesamte Lebensdauer einer Anlage, resultiert daraus ein erhebliches Treibhauspotenzial. Beim Einsatz von Dampf, Kühlsole und anderen Primärenergieschienen können anhand der Verbrauchsmessungen (Volumen- bzw. Massenstrom) und Temperaturdifferenzen zwischen Vor- und Rücklauf die Energieverbräuche ermittelt werden. Die Erzeugung dieser Primärenergien wird je nach Art und Verfahren der Erzeugung individuell bewertet. Oft kommen hier Energieträger wie Erdgas, Erdöl o. ä. zum Einsatz. Ist deren Zusammensetzung bekannt, kann über den Verbrennungsprozess ebenfalls ein CO2-Äquivalent ermittelt werden. Ein starkes Potenzial zur Reduzierung der Treibhausemission ergibt sich bei Kälteanlagen für die Prozesskühlung. Hier trägt nicht nur der Stromverbrauch im Betriebspunkt zur indirekten CO2-Emission bei, sondern auch die Leckagen in den verlegten Rohrleitungen und das Recycling des eingesetzten Kältemittels als direkte CO2-Emission. Besonderes Augenmerk gilt hier der Carnot-Leistungszahl, die von vielen Faktoren (Kältemittel, Verdampfungs-, Kondensationstemperatur, Unterkühlung ect.) abhängt. Für alle Module wurde eine Berechnungsmethode entwickelt, mit der die Auswirkungen auf den Treibhauseffekt eines Heiz- und Kühlsystems individuell beurteilt werden können. Auf Kundenwunsch kann auch der komplette Prozess evaluiert und mit einem CO2-Äquivalent bewertet werden. Mehr als 50 Jahre Erfahrung bei der Herstellung von Heiz- und Kühlsystemen garantieren eine ausgereifte Technologie. Im Rahmen von stetiger Weiterentwicklung der Anlagen wurde auch die Anlageneffizienz kontinuierlich verbessert. Anlagenkonzep- te im 3D-Format gehören zum Standard (Bild 4).

dei 460

Lauda-Modulkonfigurator für Heiz- und Kühlsysteme

Produktpalette von Lauda

Analytica 2008