DIE WERTSCHÖPFUNG ERHÖHEN!

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1 DIE WERTSCHÖPFUNG ERHÖHEN! WIE? Durch eine TECHNISCHE PROZESSANALYSE mit Hilfe einer fach- und anwendungsorientierten Maschinen- und Anlagenuntersuchung, begleitet von einer E R G E B N I S : - Effizienterer Einsatz der Roh- und Betriebsstoffe PROZESSSIMULATION - Weniger Abwasser und Abfall Mehr Mehr Wirtschaftlichkeit - Niedrigerer Energiebedarf Wirtschaftlichkeit Unser Know how in Maschinen- und Anlagentechnik verbunden mit der Anwendung leistungsfähiger technischer Software bilden die Grundlage für eine erfolgreiche Prozessverbesserung.

2 1. Die Bedeutung einer technischen Prozessanalyse Für Produktionsprozesse ist die Effizienzsteigerung durch Energieeinsparung, verbesserten Ressourceneinsatz, Abwasser- und Abfallvermeidung nach wie vor ein relevantes Thema. Sowohl in Bezug auf den Energie- als auch auf den Rohstoffeinsatz sollte die Reihenfolge Vermeidung, Rückführung und Weiternutzung eingehalten werden. Oft wird ein Produktionsprozess im Laufe der Zeit durch Hinzunahme weiterer Prozessschritte oder Prozessbereiche unübersichtlich, so dass sich eine sinnvolle Verknüpfung der Energie- und der Rohstoffseite schwierig gestaltet. Hier kann eine gezielte Prozessanalyse zu sinnvollen wirtschaftlichen Lösungen führen und damit zu einer Effizienzsteigerung beitragen. Die Verknüpfung und die Abhängigkeiten der Prozessschritte können auch anschaulich durch eine Prozesssimulation mit Hilfe geeigneter Software dargestellt werden. Dadurch können die Auswirkungen und die Wirtschaftlichkeit einer modifizierten oder ergänzten Prozessführung besser abgeschätzt und beurteilt werden. Durch eine verbesserte Prozessführung können sich zudem positive Folgeeffekte für die Wirtschaftlichkeit des Anlagenbetriebs einstellen. Die Wahl günstigerer Betriebsabläufe und Betriebsparameter führt in der Regel zu einer höheren Anlagenlebensdauer und zu verringerten Instandhaltungsaufwänden. Die folgenden Ausführungen befassen sich allgemein mit den Möglichkeiten der Energie- und der Rohstoffeinsparung. Sie beziehen sich nicht auf einen bestimmten Prozess und dienen lediglich zum Aufzeigen unterschiedlicher Möglichkeiten für eine Effizienzsteigerung. Zum Schluss werden zur weiteren Veranschaulichung 2 Beispiele gezeigt. Jeder Prozess benötigt eine eigens hierzu angepasste Analyse, für deren Erfolg die folgenden Voraussetzungen entscheidend sind: - starke Kooperation mit der technischen Betriebsleitung - technisches Verständnis für die Prozessführung - umfangreiche Fachkenntnisse über Maschinen sowie verfahrenstechnische und energetische Prozesse nach dem Stand der Technik - Erfahrungen in Bilanzierung und in Kopplung von Prozessschritten - Erfahrungen in Prozesssimulation mit Hilfe von Anwendungssoftware 2

3 Die Qualität der Prozessanalyse hängt von den oben aufgeführten Kriterien in der genannten Reihenfolge ab. Eine Prozesssimulation liefert nur dann eine ausreichende Qualität, d.h. eine Aussagekraft bzgl. einer untersuchten Maßnahme, wenn ein ausreichend technisches Verständnis vorhanden ist, und die Sachverhalte nicht nur theoretisch, sondern auch praktisch untermauert sind, damit eine spätere Umsetzung technisch und wirtschaftlich realisierbar ist. Die folgenden Ausführungen mögen die Bedeutung der Energie- und Rohstoffeinsparung verdeutlichen. 2. Maßnahmen zur Reduzierung des Energiebedarfs o Effizientere Prozessführung, z.b. durch Regelung Vielfach kann durch eine sinnvolle und stetige Regelung Energie eingespart werden, insbesondere durch Reduzierung von Anund Abfahrverlusten. Durch Vermeidung von Takten, etwa durch Einsatz von Stetigreglern, erreicht man nicht nur eine Reduzierung des Energiebedarfs, auch die Lebensdauer der Komponenten wird verlängert. Lange Aufheiz- und Abkühlvorgänge führen im Allgemeinen zur Erhöhung des Energiebedarfs, ebenso Drosselverluste, wie diese z.b. bei der Durchfluss- oder Druckregelung vorkommen. Durch Drehzahlregelung, z.b. bei Kreiselpumpen, können die Drosselverluste vermieden werden. Der Durchfluss wird dann den jeweiligen Anforderungen optimal angepasst. 3

4 Dieses Prinzip lässt sich auch auf andere Anwendungen, z.b. auf Kälteerzeugung, ausdehnen. In diesem Falle ist es am günstigsten, wenn die Kondensationstemperatur in der Kälteanlage der Außentemperatur angepasst wird, d.h. sie befindet sich in allen Betriebszuständen nur wenige Grad oberhalb der Umgebungstemperatur. Dadurch fährt die Kälteanlage immer bei einem optimalen Temperaturhub. Ein weiteres Mittel zur Energieeinsparung ohne Änderung der Prozesskomponenten ist das Energiemanagement, was z.b. zur Absenkung von Stromspitzen angewendet wird. o Mehrfache Energienutzung (T 1 > T 2 > T 3 ) T 1 T 2 T 3 Bei jeder Wärmezufuhr wird in der Regel die Wärme auf ein niedrigeres Temperaturniveau transformiert, z.b. bei einer mehrstufigen Verdampferanlage. Jede Stufe wird mit dem Dampf der vorherigen Stufe beheizt, bis das kalte Ende in der Nähe der Umgebungstemperatur erreicht wird. Dieses Prinzip kann auch auf andere Prozesse angewendet werden. Man kann z.b. die Eindampfung und die Trocknung kombinieren, indem Trocknerbrüden zur Beheizung eines Verdampfers herangezogen werden. Diese Prozessführung ist in der Vergangenheit mehrfach realisiert worden. Die Trocknerbrüden müssen jedoch vorher gewaschen werden, um Verklebungen und Verstopfungen durch mitgeführte Feststoffteilchen zu vermeiden. Bei der Mehrfachnutzung von Wärme spielen neben vielen Prozessbedingungen auch Faktoren wie die örtliche Entfernung und der zeitliche Anfall eine Rolle. Hier können unkonventionelle Prozessschritte, wie die Wärmespeicherung, eine gute Lösung bieten. 4

5 o Energierückgewinnung Kommen Aufheiz- und Abkühlvorgänge gleichzeitig vor, kann ein Wärmeaustausch im Gegenstrom eine geeignete Lösung zur Wärmerückgewinnung darstellen. Auch hierbei spielt die Beschaffenheit des Wärmeträgers eine wesentliche Rolle, z.b. in Bezug auf die Verstopfung und Verschmutzung. Entsprechend müssen also die Komponenten (Wärmetauscher) in geeigneter Weise ausgeführt oder die Prozessschritte ergänzt werden (Antibelag-Zugabe, Einsatz geeigneter Filter). o Energieaufwertung (Wärmepumpenprinzip) Die Wärme, die im Prozess nicht mehr genutzt werden kann, wird oft als Abwärme bezeichnet. Die Nutzung der Abwärme zur Raumheizung gerät schnell an ihre Grenzen, da im Sommer kein Bedarf für die Raumheizung besteht. Reicht die Temperatur der Abwärme nicht aus, so kann durch die Anwendung eines Wärmepumpenprozesses die Temperatur auf den erforderlichen Wert angehoben werden. Dieses Prinzip wird in thermischen Trennprozessen angewendet und ist als Brüdenverdichtung bekannt. Dabei wird der Dampf aus einem Verdampfer oder einer Kolonne verdichtet und damit auf eine höhere Sättigungstemperatur gebracht, um ihn als Heizmittel verwenden zu können. Es ist aber auch die Anwendung geschlossener Wärmepumpenprozesse denkbar, die z.b. in Verbindung mit einem Kochprozess eingesetzt werden können. Die aufsteigenden Brüden werden hier als Wärmequelle für die Wärmepumpe herangezogen. Die von der Wärmepumpe abgegebene Hochtemperaturwärme wird dem Kochprozess zugeführt. Weniger sinnvoll ist die Kombination der Wärme- und 5

6 der Kälteerzeugung mit einer Wärmepumpe. Die hierbei erforderliche Anhebung der Kondensationstemperatur führt zu einem erhöhten Energiebedarf. Wärmepumpenprozesse sind dort anzusiedeln, wenn die zu überwindende Temperaturdifferenz Größenordnungen von 40 C nicht übersteigt. o Wärmespeicherung Wärmespeicherung bietet die Möglichkeit, das Problem des ungleichmäßigen Wärmeanfalls und Wärmeverbrauchs für bestimmte Bedarfsfälle zu lösen, z.b. bei der Wärme-Kraft-Kopplung. Bekannt sind Wasserund Latentwärmespeicher. Diese können in unterschiedlichen Temperaturbereichen betrieben werden. Denkbar ist auch eine externe Wärmenutzung über einen Speicher, von dem der Prozess Wärme bezieht. Die Nutzung von Speichern ist jedoch meistens auf Temperaturen bis zu 120 C begrenzt. o Kraft-Wärme-Kopplung Die Kraft-/Wärme-Kopplung kann in einem weiten Leistungsbereich von wenigen Kilowatt bis zu mehreren Megawatt verwirklicht werden. Die entscheidenden Voraussetzungen hierfür bestehen darin, dass eine bestimmte Kontinuität der Wärme und Strom verbrauchenden Prozesse gegeben sein muss, und dass das Verhältnis von Strom zu Wärme günstige Werte für den Prozess annimmt. Gasmotoren sind in der Lage, bei einem Stromwirkungsgrad von ca. 42% Wärme und Strom zu nahezu gleichen Proportionen bereit zu stellen. Für höhere Leistungen können z.b. Gasturbinenprozesse angewendet werden, wobei sich das Verhältnis 6

7 Strom zu Wärme im Vergleich zu Gasmotoren zu niedrigeren Werten verschiebt. Dampfturbinenprozesse haben den Vorteil, dass Wärme und Strom in einem weiten Bereich und abhängig vom Bedarf variiert werden können. Sie können jedoch erst bei größeren Leistungen (> 10MW) hohe Wirkungsgrade erreichen. o Stromerzeugung mit Wärme Bei niedrigen Abwärme-temperaturen können z.b. Ammoniak- oder ORC- Prozesse zur Stromerzeugung herangezogen werden. Aufgrund des niedrigen Exergiegehaltes der Abwärme liegen die Wirkungsgrade häufig unter 20%. Hier ist die Wirtschaftlichkeit bis auf wenige Ausnahmen beschränkt. o Einsatz regenerativer Energien In bestimmten Fällen können Wind-, Solar- oder Biomasseenergie eine sinnvolle Ergänzung zur Gesamtenergielieferung sein. Insbesondere ist der Einsatz von Biomasse zu berücksichtigen, wenn z.b. brennbare oder vergärbare Produktionsrückstände anfallen. Damit können Heizenergie oder Biogas, welches in einem Gasmotor verströmt werden kann, bereitgestellt werden. 7

8 3. Reduzierung des Wasserbedarfs, Vermeidung von Abwasser Anfall Aufbereitung Nutzung o Mehrfachnutzung von Wasser Analog zur Mehrfachnutzung von Energie kann auch Wasser unterschiedlicher Qualität mehrfach genutzt werden. Ein Nachspülwasser aus einem Prozess kann z.b. zur Vorspülung bestimmter Teile genutzt werden. Wird das Abwasser aufbereitet, so kann in vielen Fällen das aufbereitete Abwasser wiederum als Brauchwasser verwendet werden. Hiervon wird in vielen Industriezweigen Gebrauch gemacht. 4. Nutzung und Vermeidung von Abfällen Die Nutzung und die Vermeidung von Abfällen hängen sehr stark vom jeweiligen Prozess ab. Prinzipiell kommen hier sowohl eine Verwertung als auch eine energetische Nutzung bzw. eine Gewinnung durch Aufarbeitung in Frage. Praktische Beispiele hierfür sind die Verarbeitung von Produktionsresten aus der Herstellung von Nahrungsmitteln. Die Rückgewinnung von Produktionsabfällen hat hier einen doppelten Effekt; sie reduziert gleichzeitig die Betriebskosten und die Kosten für Abfallbeseitigung. 8

9 CREA CENTER FÜR RATIONELLE ENERGIEANWENDUNG GMBH, Stresemannstr.46, D Bremerhaven Zunehmend gewinnt auch die thermische Verwertung von Schadstoffen und Abfällen an Bedeutung. Ein klassisches Beispiel hierfür ist die thermische Nachverbrennung mit integrierter Energieerzeugung. Solche Prozesse sollten so eng wie möglich mit dem Produktionsprozess verknüpft werden, um den Nutzeffekt zu maximieren. Prozess Energie Abluft TNV 5 Vorgehensweise bei einer technischen Prozessanalyse Die Vorgehensweise bei einer Prozessanalyse wird von der jeweiligen Aufgabenstellung bestimmt. Die im Folgenden aufgeführten Schritte sollen hierüber einen groben Überblick vermitteln. Abhängig von der Aufgabenstellung können einige Schritte entfallen oder parallel durchgeführt werden: a. Erfassung des Ist-Zustandes - Betriebsbegehung - Kurze Prozessdarstellung - Ermittlung der Verbräuche und Abfallprodukte - Simulation der Verfahrensschritte b. Ableitung von Maßnahmen zur Prozessverbesserung - Aufnahme von bereits vorhandenen Verbesserungsvorschlägen - Einarbeitung in das Prozessmodell und Durchführung der Simulation - Erarbeitung weiterer Verbesserungsmaßnahmen - Quantitative Darstellung der Auswirkungen (z.b. durch Wassereinsparung). - Auswertung der Ergebnisse; Wirtschaftlichkeitsabschätzung 9

10 c. Wirtschaftlichkeitsberechnung - Technische Darstellung (Spezifikation) der erforderlichen Maßnahmen - Einholen von Angeboten - Wirtschaftliche Bewertung d. Durchführung der Maßnahmen - Detailplanung - Bestellung und Beschaffung - Montage und Inbetriebnahme In vielen Fällen führt eine Prozessanalyse zum wirtschaftlichen Erfolg, wie dies aus Erfahrung belegt werden kann. Entscheidend dafür sind die eingangs erwähnten Voraussetzungen. Demnach sind eine starke Kooperation mit der Betriebsleitung und das technische Verständnis für die Maschinen- und Prozesstechnik die entscheidenden Voraussetzungen, damit eine Prozessanalyse brauchbare, d.h. wirtschaftlich und praktisch umsetzbare, Ergebnisse liefert. Nach der Durchführung der Maßnahmen sind die Betriebsergebnisse auf Übereinstimmung mit den Planungswerten zu prüfen und Gründe für mögliche Abweichungen aufzuzeigen. 6 Beispiele aus der Praxis: In einem Lebensmittelbetrieb werden in einem Trommeltrockner Reste durch Wärmeaustausch mit Verbrennungsgasen aus einer Erdgasfeuerung getrocknet. Das Brüden Feuchtgut Heißgas Feuchtes Abgas Wäsche Abgas rein Konzentrat Trocknung Abgas zum Kamin Trockengut Kondensat Rohlösung Zur Zentrifuge Abschlämmung Eindampfung 10

11 Produkt wird als Tierfutter verwertet. Die feuchten Abgase haben einen Taupunkt von ca. 95 C und damit einen hohen Wasserdampfanteil. Diese wurden früher nach einer Kaltwäsche ins Freie geblasen. Eine Prozessanalyse ergab, dass die Abgaswärme für eine Aufkonzentration von Saft in einem Verdampfer ausreichte. Dazu wurde zur Reinigung von Abgasen eine Wäsche bei nahezu Taupunkttemperatur (Heißwäsche) durchgeführt, um eine Dampfkondensation möglichst zu vermeiden. Die gereinigten Abgase dienten dann im nachgeschalteten Verdampfer als Heizmittel und wurden auf ca. 85 C abgekühlt, wodurch ein erheblicher Teil der Feuchte kondensierte. Durch diese Maßnahme konnten einige Hundert kw Erdgas eingespart werden. Produkt Maschine mit reduziertem Abfall Reste Wasser Mischer-Trockner Zweitprodukt In einem zweiten Anwendungsfall wurde eine Verarbeitungsmaschine soweit modifiziert, dass die Menge der Reste (Verschnitt) minimiert wurde. Die verbleibenden Reste wurden in einem Mischer-Trockner nach Zusatz von Wasser zu einem Zweitprodukt verarbeitet. Diese Beispiele verdeutlichen die Bedeutung der Prozessanalyse. Diese lässt sich meistens mit einem relativ niedrigen Aufwand durchführen und bewirkt häufig eine bessere Wirtschaftlichkeit und eine größere Wertschöpfung. 11

12 Kontakt CREA Center für rationelle Energieanwendung GmbH Stresemannstraße Bremerhaven Fon: (0471) Fax: (0471) Geschäftsführung: Dipl.-Ing. Stefan Foerster Prof. Dr.-Ing. Chahpar Mostofizadeh Sitz der Gesellschaft: Bremerhaven Amtsgericht Bremerhaven HRB