Spätestens seit der Novelle des Erneuerbaren Energien Gesetzes wird der Nachweis der Einsparung von Energie notwendig, um eine deutliche Senkung der Betrieskosten durch die Möglichkeit der EEG-Umlagereduktion in Anspruch nehmen zu können.

Unterhalb von 10 GWh Jahres-Energieverbrauch ist ein Energiemanagement-System keine Pflicht. Doch Betriebe mit geringerem Energieverbrauch müssen ab 2013 ein solches System auch dann einführen, wenn sie den bisher gewährten Spitzenausgleich innerhalb des Energie- und Stromsteuergesetzes weiterhin in Anspruch nehmen wollen [1]. Energiemanagement-Systeme ermöglichen durch systematisches Erfassen der energetischen Ausgangssituation, Transparenz über den aktuellen Energieeinsatz zu schaffen.

Daraus können oft erhebliche Einsparpotenziale abgeleitet werden, die sich meist mit geringem Aufwand erschließen lassen: Beispielsweise die zielgerichtete Anpassung von Temperaturniveaus in der Produktion. Das weitaus größte Potenzial liegt oft in der Prozessführung sowie der Verfahrenstechnik selbst verborgen. Als Beispiele dienen die Nutzung von Abwärme zum Antrieb von Folgeprozessen, die Analyse vermeidbarer Prozess-Schritte wie dem Tempern oder der wiederholten Materialerwärmung, beispielsweise durch Inline-Compoundierung. Diese Potenziale lassen sich durch eine systematische Herangehensweise einfacher bewerten.

Energieverbrauch der Extrusion genau analysieren

Die Produktionsbedingungen können mit unterschiedlichen Zielsetzungen analysiert werden. Ein genereller Blick auf die Hallenbeleuchtung, die Gebäude­isolation, die Heizungs- oder Druckluft-Technik oder auch die Kälte- und Klimatechnik gibt einen ersten Anhaltspunkt für Energie-Sparmaßnahmen. Solche Initialanalysen werden häufig kostenfrei angeboten. Eine kritische Analyse der Produktionsprozesse zählt jedoch nicht zu den kostenlos angebotenen Leistungen. Denn hierfür ist kunststofftechnisches Prozesswissen notwendig.

Normalerweise wird die Kälte für den Extrusionsprozess mit elektrischen Kompressionskältemaschinen bereitgestellt. Für ein durchschnittliches Kunststoffrohr liegen die Kosten hierfür bei etwa 20.000 Euro pro Jahr und Kühlstrecke – bei angenommenen 8.000 Betriebsstunden; einem EER der Kältemaschine von 3, einer Extruder-Antriebs-Wirkleistung von 80 kW und einem Strompreis von 0,12 Euro/kWh.

Bei der Extrusion wird mechanische Energie (Schneckenrotation) in thermische Energie (Schmelzetemperatur) umgewandelt (Dissipation). Nach dem Formgebungsprozess im Werkzeug und der Kalibrierung wird dem Kunststoffrohr durch eine Benetzung der Produktoberfläche mit gekühltem Wasser (Sprühkühltank) Wärme entzogen. Die dabei an das Kühlwasser übertragene thermische Energie wird im Kreislauf von einer elektrischen Kältemaschine gekühlt. Zusätzlich wird in manchen Fällen eine Kühlung an der Innenseite des Rohres eingesetzt, indem durch das Werkzeug Kühlluft eingeblasen oder abgesaugt wird.

Kaskadierte Kühlung spart Zusatzenergie ein

Die zuvor in das Material eingebrachte thermische Energie muss dem Produkt nach dessen Ausformung wieder in vollem Umfang entzogen werden. Auf herkömmlichem Wege findet dieser Wärmeentzug durch den aktiven Betrieb von Kältemaschinen statt, so dass zur Kühlung erneut elektrische Energie eingesetzt wird. Die einmal eingebrachte thermische Energie kann jedoch unter bestimmten Voraussetzungen auch für Folgeprozesse eingesetzt werden. Von wesentlichem Interesse ist hierbei das Temperaturniveau. Ab einer Temperatur von etwa 65 bis 90°C kann diese Energie für wärmegetriebene Kältemaschinen oder Kreisprozesse zur Erzeugung von Nutzkälte oder elektrischer Energie eingesetzt werden.

Um dieses nutzbare Temperaturniveau zu erreichen, wird bei der kaskadierten Kühlung der Primärtank thermisch isoliert. Das heiße Kunststoffprodukt tritt je nach Material mit einer Temperatur von etwa 220°C in diesen Sprühkühltank ein und erwärmt das darin befindliche Kühlwasser. Auf einem Temperaturniveau von etwa 70°C wird das Wasser der Primärkühlung entzogen und an eine Steuerungs- und Regelungseinheit weitergeleitet. In dieser SHS-Basiseinheit werden alle eingehenden Energieströme gebündelt – darunter fallen auch zusätzliche Abwärme aus der Innenkühlung oder Motorabwärme und viele mehr – und auf ein nutzbares Temperaturniveau konditioniert. So kann eine wärmegetriebene Kältemaschine betrieben werden. Diese erzeugt Prozesskälte auf einem niedrigen Temperaturniveau unter 15°C, die bei der Sekundärkühlung eingesetzt wird, um das Produkt auf die Endtemperatur herunter zu kühlen.

Auf diese Weise kann mit der kaskadierten Kühlung unter optimalen Bedingungen eine elektrische Kältemaschine vollständig substituiert werden, so dass erhebliche Energiekosten einegespart werden können. Die Eignung der kaskadierten Kühlung ist abhängig vom verarbeiteten Rohstoff sowie von weiteren Randbedingungen in der Produktion. Erprobt wurde das Verfahren an einer Rohrextrusionslinie mit einem 45-mm-Extruder, auf dem ein Produkt mit den Abmessungen von 160?x?14,6?mm aus einem PEHD produziert wurde. Der maximale Produktionsdurchsatz betrug 210?kg/h und wurde durch die Antriebsleistung des Extruders limitiert. Die Kühlstrecke der Versuchsanlage ist ausgestattet mit zwei Standard-Sprühkühlbädern von jeweils 6 m Länge. An der Prototypenanlage wurden produktionsrelevante Aspekte des Verfahrens untersucht. Zum einen wurde die Stabilität des Kunststoffrohres im Bereich des Vakuum-Sprühkühltanks, zum anderen die Qualität des Produktes hinsichtlich Oberfläche, Geometrie, Längs- und Radialschrumpf untersucht. In weiterführenden Versuchsreihen wurde an Materialproben das Kunststoffrohr hinsichtlich des Kristallisationsgrades, der Eigenspannungen sowie der Dichte analysiert. Zudem wurde für das Verfahren die Innenwandtemperatur des Kunststoffrohres auf der gesamten Kühlstrecke mit dem SHS-Innentemperatur-Sensor erfasst.

Dieser Sensor wird durch ein Führungsgestänge in das Kunststoffrohr eingebracht und an einer beliebigen Stelle innerhalb der Kühlstrecke platziert. Dabei erfasst der Sensor berührungslos die InnenwandTemperatur des Rohres und wird über den Rohrvorschub kontinuierlich über die Kühlstreckenlänge in Extrusionsrichtung verfahren. Nach der Säge wird der Sensor einem Rohrsegment entnommen und die Daten werden ausgelesen.

Weniger Energiekosten, verbesserte Produktqualität

Die Auswertung der Versuche zeigt, dass die kaskadierte Kühlung den jährlichen Energiebedarf für die Kühlung um etwa 160.000 kWh reduziert, was einem CO2-Ausstoß von 96.000?kg und etwa 19.200 Euro weniger Energiekosten entspricht. Zudem konnten die Produktqualität hinsichtlich höherer Kristallisationsgrade sowie der geringeren Ausbildung von Eigenspannungen aufgrund der schonenden Hochtemperatur-Kühlung verbessert werden.

Die kaskadierte Kühlung kann über die Abkühlsimulation (AKS) auf der Basis der finite Differenzen-Methode individuell auf seine Eignung bei unterschiedlichen Produktionsbedingungen geprüft und dann spezifisch ausgelegt werden. Darüber hinaus kann die notwendige Kühlstreckenlänge, der maximal mögliche Linienoutput sowie ein optimales Temperaturniveau errechnet werden.

 

[1]    Bundeskabinett beschließt Änderung des Energie- und Stromsteuergesetz, Bundesministeriums der Finanzen, 01.08.2012, www.bundesfinanzministerium.de
[2]    Newsletter der Fachzeitschrift Kunststoffe, Hanser Verlag, September 2012
[5]     Haberstroh, E.: Analyse von Kühlstrecken in Extrusionsanlagen, Dissertation, RWTH Aachen, 1981
[6]    Kleindienst, U.: Untersuchung des Abkühlvorganges und dessen Einfluß auf das Eigenspannungsfeld in der Wand extrudierter Kunststoffrohre
[7]    Bessemer, B.: Is colder better? Advanced cooling for pipe and profile extrusion; in: British Plastics & Rubber, ISSN: 0307-6164, 2012

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Kenny Saul