Wie man in HPDC-Gießereien Energie/CO2, Wasser und Geld spart

Beim Bau einer neuen Gießerei sollten die Aspekte der technischen Gebäudeausrüstung nicht vernachlässigt werden, da hier große Einsparpotenziale verborgen sein können. Welche Potenziale ausgeschöpft werden können, zeigt auch das Fallbeispiel einer HPDC-Gießerei.

Glühbirne vor Natur-Hintergrund. — Durch den Einsatz einer Wärmerückgewinnungsanlage können über 10 Jahre ca. 3.000 t CO2 eingespart werden.

Vor einiger Zeit wurde die Project Engineering GmbH beauftragt, das Konzept der bestehenden Planung für das Kühlwassersystem in einer neu geplanten Druckgießerei mit 4 x 2.800 t Gießzellen zu beurteilen. Vorgefunden wurde eine 4 x 2.800 t Druckgießmaschine mit einer Gesamtwärmeleistung von 1250 KW. Die Temperaturdifferenz des Kühlwasservor-/Rücklaufs wurde auf 5 K eingestellt, was einen Massenstrom von 214 m3/h erfordert. Dieser Massenstrom sollte durch ungeregelte Pumpen erzeugt werden, der Betriebsdruck wurde auf 6 bar eingestellt. Die Abfuhr der Wärme sollte über einen offenen Kühlturm erfolgen, dessen Kreislauf über einen Wärmetauscher angeschlossen und mit einem Notkühlsystem ausgestattet ist. Maßnahmen zur Wärmerückgewinnung waren nicht vorgesehen und wurden nicht berücksichtigt. Diese Art der Aufstellung ist in vielen Gießereien üblich und wurde in Zeiten eingeführt, als Energie sehr billig war.

Bevor die optimierte Version vorgestellt wird, ist eine kurze Einführung in die physikalischen und technischen Grundlagen notwendig:

1. Wärmestrom und Temperaturunterschied

Der Wärmestrom zwischen zwei Fluiden wird durch die folgende Formel dargestellt:
Wärmestrom (Q) = Massenstrom (m) * spezifische Wärmekapazität (cp) * Temperaturdifferenz (∆t)
Die spezifische Wärmekapazität (cp) kann in diesem System als konstant angenommen werden, da sie sich in dem betrachteten Temperaturbereich nicht wesentlich ändert. Daher verbleiben die indirekt proportionalen Faktoren Massenstrom (m) und Temperaturdifferenz (∆t) als Regelgrößen.

Gratis dazu: Einerseits wird die Temperaturdifferenz von "kalt nach warm" von der zu kühlenden Gießmaschine sozusagen kostenlos erzeugt. Auf der anderen Seite haben wir es mit einem Massenstrom zu tun, der mechanisch durch stromfressende Pumpen erzeugt werden muss und damit Kosten verursacht.

Es rechnet sich also und es ist notwendig, den Massenstrom zu reduzieren. Dies kann durch eine Erhöhung der Temperaturdifferenz (∆t) durch Veränderung der Sollwerte erreicht werden. Außerdem ist es weder ökonomisch noch ökologisch sinnvoll, die abgeführte Wärme ungenutzt in einen Kühlturm steigen zu lassen, während z.B. im Winter die Gießerei zusätzlich beheizt wird. Deshalb ist der Anschluss einer Wärmerückgewinnungsanlage zu empfehlen.

Abbildung, die den ursprünglichen Aufbau zeigt. — Diese Abbildung zeigt den optimierten Aufbau. (Quelle: Project Engineering GmbH/Timo Ehnert)

2. Widerstände im Rohrleitungssystem vs. Fließdruck

Bei pumpenerzeugtem Massenstrom ist der Druck in einem hydraulischen System quadratisch im Verhältnis zum Massenstrom. Alle Widerstände in Rohren, Ventilen, Wärmetauschern usw. haben ein quadratisches Verhältnis zum Fließdruck. Daher ist es wichtig, den Systemdruck durch die Verwendung gut dimensionierter Rohre, Ventile und Wärmetauscher niedrig zu halten.

3. Wirkungsgrad einer Pumpe

Schaut man sich verschiedene Leistungsdiagramme bezüglich Leistungsaufnahme/Druck und Massenstrom an, so erkennt man, dass Pumpen einen sehr engen optimalen Betriebsbereich haben. Daher ist es notwendig, geeignete Pumpen auszuwählen, diese im "Punkt des besten Wirkungsgrades" zu betreiben und bei Änderungen im Kühlkreislauf, z.B. beim Abschalten einzelner Gießmaschinen, über Drehzahlregler entsprechend anzupassen. Unter Berücksichtigung all dieser Punkte sieht das von Project Engineering vorgeschlagene und umgesetzte Konzept wie folgt aus:

Die Temperaturdifferenz von Kühlwasservor- und -rücklauf wurde auf 10 K (statt vorher 5 K) eingestellt, was einen Massenstrom von nur 107 m3/h (statt vorher 214 m3/h) erfordert. Dieser Massenstrom wird durch geregelte Pumpen erzeugt, der Betriebsdruck wurde auf 4 bar (statt bisher 6 bar) eingestellt. Die Wärmeabgabe erfolgt nach wie vor über einen offenen Kühlturm, dessen Kreislauf jedoch über Wärmetauscher an ein Wärmerückgewinnungssystem und an den Maschinenkühlkreislauf angeschlossen ist. Die Wärmerückgewinnung erfolgt über die Hallenlüftung/Heizung und wurde frostsicher ausgelegt. Im Wärmerückgewinnungskreislauf wurde eine Notheizung und Notkühlung realisiert.

Daher sind die folgenden vier Aspekte für eine energieeffiziente Kühlung am wichtigsten:

1. Nutzung der größtmöglichen Temperaturspanne im Kühlzyklus
2. Verwenden Sie den geringstmöglichen Druck in Ihrem Kreislaufsystem
3. Betreiben Sie die Pumpen immer am Punkt der höchsten Effizienz
4. Verwenden Sie Pumpen mit variabler Drehzahl

Ergebnis

In diesem Beispiel summieren sich die möglichen Einsparungen über 10 Jahre auf 1.000.000 EUR [+ 680.000 EUR zusätzlich bei Nutzung der Wärmerückgewinnung] und ca. 2.000 t CO2-Einsparung durch weniger Stromverbrauch + ca. 3.000 t CO2-Einsparung durch Wärmerückgewinnung.

Die Investitionskosten für ein neues Gießereigebäude sind bei beiden Lösungen in etwa vergleichbar, da sich die einzelnen Kostenunterschiede, z.B. kleinere Pumpen vs. Pumpensteuerung, in etwa ausgleichen.