Studenten finden Sparpotentiale

Industrielle Kühlanlagen energetisch optimieren

Im Rahmen ihrer Projektarbeit nahmen zwei Masterstudenten in der Kunststoffindustrie verbreitete Rückkühl-Anlagen mit leerlaufenden Freikühlern unter die Lupe, um deren Energiebilanz weiter zu verbessern. Die dabei anvisierte, ganzheitliche Optimierung der Systemtechnik und Bestimmung der Einsatzgrenzen auf Basis der PowerSave-Technologie von Oni wurde in enger Kooperation mit der Technischen Hochschule Köln, Fachbereich Green Building Engineering, durchgeführt. Das Ergebnis ist eine in allen energetischen und strömungstechnischen Belangen optimierte Systemtechnik, die den Energieverbrauch reduziert und in der Folge einen Beitrag zu Umweltschutz und Wirtschaftlichkeit der Produktion leistet.

Typische Kühlanlage der kunststoffverarbeitenden Industrie mit leerlaufenden Freikühlern. © Oni

Energieeffizienz und Umweltschutz stehen stärker denn je im Mittelpunkt, wenn es um Maßnahmen zum Erhalt unserer Umwelt und unseres Lebensraums sowie um die Verbesserung der Wettbewerbsfähigkeit von Unternehmen geht. Um dem Klimawandel entgegenzuwirken, hat die Bundesregierung Klimaziele festgeschrieben, die vor allem auf die Reduzierung des CO2-Ausstoßes zielen. Es werden heute und künftig Systemlösungen gebraucht, die einen nachhaltigen Beitrag zur Energieeinsparung leisten. Vor diesem Hintergrund hat Oni-Wärmetrafo die PowerSave-Technologie entwickelt. Laut Unternehmen kann die innovative Gerätekombination im Zusammenwirken mit einer Managementsoftware und unter Nutzung physikalischer Systemeigenschaften den Stromverbrauch von Pumpen in Rückkühlkreisen mit leerlaufenden Freikühlern bis zu 35 Produzent reduzieren.

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Oni hat über mehrere Jahrzehnte ein breit gefächertes Spektrum an Energiespar-Systemlösungen und System-Know-hows aufgebaut. Nach internen Statistiken sparen mehr als 5900 Anwenderunternehmen in über 70 Ländern mit diesen Technologien jährlich etwa 5,75 Milliarden kWh Strom sowie rund 10,2 Milliarden kWh Primärenergie in Form von Erdgas und Heizöl ein. Daraus resultiere eine Minderung von rund 5,9 Millionen Tonnen CO2 pro Jahr. Die einge­sparten CO2-Emissionen entsprechen knapp 2,5 Millionen Flügen von München nach New York. Eine der neu entwickelten Energiespartechnologien ist die PowerSave-Schaltung, die in Rückkühlprozessen mit leerlaufenden Freikühlern eingesetzt wird.Bei Freikühlern handelt es sich um Luft-Wasser-Wärmeaustauscher, ähnlich einem Autokühler, die als Kühlmedium die kostenlos zur Verfügung stehende Außenluft nutzen. Oni setzt automatisch leerlaufende Systeme ein, um auf den Einsatz von Glykol verzichten zu können. Wichtigster Grund dafür sind die deutlich besseren wärmetechnischen Eigenschaften von glykolfreiem Wasser. Hinzu kommt der Verzicht auf problematische Auswirkungen von Glykol auf die Umwelt.

Die zum Patent angemeldete PowerSave Systemtechnik soll den Stromverbrauch der Pumpen im Freikühler-Kühlkreislauf erheblich reduzieren. Sie nutzt die Schwerkraft und den geodätischen Höhenunterschied zwischen Freikühler und Tiefpunkt der Kühlwasser-Rücklaufleitung in einem offenen Leitungssystem. Üblicherweise wird diese Kraft nicht genutzt, weil man durch eine konstant laufende Pumpe so viel Förderdruck auf die Versorgungsleitung gibt, sodass ein Strömungsabriss und damit Eintrag von Luft in die Rücklaufleitung über das automatisch arbeitende Belüftungssystem sicher verhindert wird. Das PowerSave System sorgt einerseits für die sichere Druckhaltung und auskömmliche Wasserversorgung des Freikühlers und passt andererseits die Pumpenleistung über einen Frequenzumrichter dem tatsächlichen Bedarf genau an. Der Frequenzumrichter an der Systempumpe sorgt während des Anfahrprozesses dafür, dass das System vollständig mit Wasser gefüllt ist. Nach der Anfahrphase reduziert der Frequenzumrichter die Pumpenleistung bedarfsgerecht - was entsprechende Stromeinsparungen erzielt.

Wirkung der Energiesparschaltung auf den Leistungsbedarf einer industriell eingesetzten Kühlanlage. © Müller, Vogt

Die Technik ist bereits bei Kunden im Praxiseinsatz. Die erzielten Stromeinsparungen durch Leistungsreduzierung der Pumpe sind signifikant. Der Leistungsbedarf einer 10,5 kW-Pumpe kann im Regelbetrieb um etwa 3 kW reduziert werden. Bei einer durchschnittlichen Anlagen-Betriebszeit von 6000 Stunden pro Jahr entspricht das einer Einsparung von 18 000 kWh. Die Amortisationszeit liegt dabei weit unter zwei Jahren. Große geodätische Höhenunterschiede zwischen Freikühler und Tiefpunkt der Rücklaufleitung sowie ein Betrieb in Teillastphasen erhöhen die Einsparungen zusätzlich.

In Zusammenarbeit mit der TH Köln und dem Masterstudiengang "Green Building Engineering" wurde die PowerSave-Schaltung detailliert untersucht. Der Fokus lag dabei primär auf den physikalischen Zusammenhängen. Hierfür wurde extra ein maßstabsgetreuer Versuchsstand errichtet, der unterschiedliche Aufstellhöhen von Freikühlern simulieren kann. Durch Einsatz transparentem PVC-U-Rohr werden strömungstechnische Vorgänge im Versuchsstand sichtbar.

Versuchsanordnung zur hydraulischen Einbindung der PowerSave-Technologie. © Müller, Vogt

Die im Rücklauf wirkende Gewichtskraft ist abhängig von den auftretenden Druckverlusten und den unterschiedlichen Aufstellhöhen der Rückkühler. Je höher diese aufgestellt sind, desto größer ist der entstehende Unterdruck im System. Bei großen Aufstellhöhen ist deshalb gelegentlich eine Blasenbildung in den 90 Grad-Winkeln zu beobachten. Diese Blasen bilden ein Luft-Wasser-Gemisch, welches unter anderem zu einer verringerten Wärmeübertragung im Rückkühler führt und damit unerwünscht ist.

Im Zuge der Messkampagne kann der Versuchsstand durch Einsatz strömungsoptimierten Fittings wie 90 Grad Bögen mit größeren Krümmungsradien, verbessert werden. Zur strömungstechnischen Untersuchung wurden auch Betriebszustände herbeigeführt, die physikalische Gefahrensituationen aufzeigen. So wurde eine gezielte Blasenbildung (Kavitation) erzeugt, um Grenzwerte für den Einsatz dieser Technik zu definieren und Maßnahmen zu beschreiben, die diese Probleme verhindern.

Die physikalische Untersuchung in Kooperation mit der TH Köln lieferte neue Erkenntnisse über die PowerSave-Technologie. Da Oni-Kunden die Schaltung bereits zuvor genutzt hatten, erweist sie sich nun als einwandfrei sicherer verfahrenstechnischer Weg, um Energie einzusparen. Weiterhin unterstützt sie die Kunden bei der Auditierung gemäß ISO 50001 (Energiemanagement).

Blasenbildung im Vergleich der alten und der optimierten Leitungsgestaltung. © Müller, Vogt

Diese Technologie kann als Baustein zur Energieverbrauchssenkung in industriellen Kühlanlagen dienen. Sinnvoll ist das gleichermaßen unter ökonomischen und umwelttechnischen Gesichtspunkten. Darüber hinaus bleibt der gewissenhafte Umgang mit Energie und das Entwickeln neuer Technologien ein unumgängliches Ziel, da es letztlich um den Erhalt unserer Umwelt geht.

Der Beitrag basiert auf Ergebnissen der Projektarbeit "Oni PowerSave - Optimierung einer Energiesparschaltung für leerlaufende Freikühlersysteme" von Marvin Müller und Daniel Vogt, die am Institut für Technische Gebäudeausrüstung der Technischen Hochschule Köln und im Unternehmen Oni, Lindlar, erarbeitet wurden.

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