Energieeinsparungen in der Prozesswärme-Erzeugung

Viele industrielle Anlagen sind für eine maximale Leistung ausgelegt. Sie werden aufgrund des unterschiedlichen Wärmebedarfs verschiedener Produkte aber regelmäßig bei wesentlich niedrigerer Leistung betrieben. In allen Betriebszuständen, in denen nicht die maximale Leistung erforderlich ist, kann sehr viel Energie eingespart werden. Dies gilt besonders für Systeme mit Pumpen und Ventilatoren, bei denen die elektrische Leistung in dritter Potenz zum Durchsatz steigt.

Was das im anlagentechnischen Alltag bedeutet, verdeutlicht folgendes Beispiel aus der Praxis: Bei einem Anwender versorgte eine 90-kW-Pumpe die Heizkreise. Die Regelventile ließen so viel Heizmedium in den Heizkreis, wie gebraucht wurde, und gaben den Rest ungenutzt an den Anlagenrücklauf zurück. Heute läuft die Pumpe frequenzgeregelt; die Regelgröße ist ein konstanter Differenzdruck zwischen Vorlauf und Rücklauf am Eintritt der Heizkreise. Nach der Modifikation ließ sich bei den beiden Hauptprodukten in der Anwendung der Stromverbrauch um mehr als 50 % reduzieren. Und die Investition hatte sich bereits nach kurzer Zeit amortisiert.

Einen Spezialfall in der Prozesswärme stellt die Strömung des Wärmeträgers durch einen Wärmeerzeuger dar. Nach der DIN 4754 für Wärmeträgeröl-Erhitzer muss der Volumenstrom durch einen Erhitzer so groß sein, dass das Wärmeträgeröl in der Rohrschlange nicht überhitzt. Dabei war es lange Stand der Technik, dass Erhitzer mit einem fixen Mindestvolumenstrom betrieben werden. Dieser wird bei der Auslegung des Erhitzers berechnet und von einem bauteilgeprüften Strömungsbegrenzer überwacht, meist auf Basis einer Differenzdruckmessung.

Moderne Erhitzer arbeiten aber so gut wie immer mit einer Regelung der Vorlauftemperatur und modulierendem Betrieb des Brenners. Das hat gegenüber einer zweistufigen Betriebsweise (An und Aus) Vorteile hinsichtlich Wirkungsgrad und Verschleiß, gerade vor dem Hintergrund, dass Produktionssysteme immer flexibler sein und ihre Wärmeleistung auf das aktuell zu produzierende Produkt anpassen müssen. Die modulierende Betriebsweise macht dabei eine stufenlose Fahrweise bis zwischen 10 und 20 % der Nennleistung möglich.

Wie bereits erwähnt führen zu hohe Volumenströme in erster Linie zu Energieverschwendung. Alle Erhitzer müssen – unabhängig von ihrem konkreten Lastpunkt – mit dem auf dem Typenschild stehendem Mindestvolumenstrom betrieben werden, obwohl im Teillastbereich die im Flammraum herrschende Wärmestromdichte natürlich sehr viel geringer ist.

Wieviel elektrische Leistung an der Pumpe eingespart werden kann, soll am Beispiel eines Erhitzers mit 8 MW Wärmeleistung und einer Temperaturdifferenz von 20 K gezeigt werden. Dieser pumpt 740 m³/h mit einer Förderhöhe von 30 m durch den Erhitzer und den angeschlossenen Primärkreis. Die Pumpe nimmt dabei 80 kW an elektrischer Leistung auf. Der vom Strömungsbegrenzer überwachte Mindestvolumenstrom beträgt 629 m³/h. Bei einer tatsächlichen Wärmeleistung des Erhitzers von 80 % ergäbe sich ein rechnerischer Mindestvolumenstrom von etwa 610 m³/h. Dies ist etwas mehr als 80 % des Nennvolumenstroms, die Unterschiede liegen im Teillast-Verhalten der Flammengeometrie sowie den physikalischen Gegebenheiten des Strahlungsübergangs begründet. Die elektrische Leistung beträgt in diesem Betriebspunkt lediglich 37 kW. Damit werden an der Pumpe 43 kW an elektrischer Energie eingespart. Auf ein Jahr ergibt dies eine Energieeinsparung von rund 15.000 Euro. Müssen zusätzlich von der Erhitzerpumpe noch größere Entfernungen im Rohrleitungsnetz überbrückt werden, was oft der Fall ist, dann fällt die Einsparung gemäß dem deutlich höheren Anlagenwiderstand auch deutlich höher aus.

Aus diesem Grund hat Ness Wärmetechnik einen dynamischen Strömungsbegrenzer entwickelt. Die verwendeten Mess- und Auswertegeräte sind jahrelang erprobt und ausschließlich von namhaften Herstellern nach den Kriterien der ISO 61508 entwickelt. In Verbindung mit dem speziellen Aufbau und dem neu entwickelten Auswerteprogramm wurde dieser dynamische Strömungsbegrenzer nach DIN 4754-2 zertifiziert und nach Druckgeräterichtlinie geprüft. Insbesondere wurde das Design nach der internationalen Norm für Erhitzerausrüstung, der EN 50156, entwickelt.

Das System erfüllt dabei eine funktionale Sicherheit von SIL 2 mit einer Fehlertoleranz von HFT = 1. Dies wurde mit einer komplett redundanten Ausführung erreicht, das heißt alle Sensoren und auch die Sicherheits-CPU sind zweifach vorhanden. Zur Erhöhung der Verfügbarkeit ist das gesamte System außerdem mit einem statischen Strömungsbegrenzer konventioneller Bauart ausgeführt und nach einem bestimmten Schema verschaltet: Das sicherheitstechnische System bildet zunächst ein 1oo2D-System, in dem sich beide Kanäle selbst überwachen, zum Beispiel auf Kabelbruch, Stuck-at, Over-/Underflow oder Spannungsausfall. Die Messwerte werden danach mit dem jeweils anderen Kanal verglichen. Wird eine maximal zulässige Abweichung zwischen den Kanälen überschritten, so meldet die jeweilige Kanal-CPU einen Abweichungsfehler. Sind sowohl die kanalinternen Überwachungen als auch der Kanalabgleich fehlerfrei, dann ist die Berechnung des Mindestvolumenstromes freigegeben und die Regelung aktiv.

Neben dem Thema Energieeffizienz gewinnt bei der CO₂-Reduktion in der Prozesswärme auch die Frage des eingesetzten Brennstoffes eine immer wichtigere Bedeutung. Bei Ness bereitet man sich daher auch bereits auf den veränderten Betrieb mit Wasserstoff und Wasserstoffgemischen vor.

Um die Eigenschaften der Verbrennung zu verstehen, hat der Partner Dreizler als Brennerhersteller eine Versuchsreihe an einem 1,1-MW-Brenner der Serie Marathon durchgeführt. Dieser wurde mit verschiedenen Erdgas-Wasserstoff-Mischungen betrieben. Die Flamme wird aufgrund der höheren Flammengeschwindigkeit und der kürzeren Zündverzugszeit des Wasserstoffes kürzer und kompakter. Durch den geringeren Heizwert von Wasserstoff ist der volumetrische Brennstoffbedarf höher. Der Luftbedarf ist geringer als bei reinem Erdgasbetrieb. Aufgrund der höheren adiabaten Flammentemperatur von Wasserstoff wird tendenziell mehr thermisches NOx gebildet, dem kann jedoch wirkungsvoll entgegengewirkt werden. Demgegenüber entsteht weniger bis gar kein CO₂, abhängig vom Mischungsverhältnis.

Das ermutigende Ergebnis: Wärmeträgerölerhitzer können mit allen Mischungsanteilen und auch mit 100 % Wasserstoff betrieben, Bestandsanlagen können umgerüstet werden. Eine Kombination aus interner Abgasrezirkulation und externe Abgasrückführung wird dabei in den meisten Fällen nötig sein, um die NOx-Emissionen unter den gesetzlichen Anforderungen zu halten. Bei Bestandsanlagen muss außerdem geprüft werden, ob die Feuerraumbelastung nicht zu hoch ist. Die Gasstrecke wird in den meisten Fällen durch eine größer dimensionierte und mit entsprechend geeigneten Bauteilen und Dichtungen ausgerüstete ersetzt werden müssen. Die Verbrennungsluftförderung wie Gebläse, Wärmetauscher etc. können grundsätzlich weiterverwendet werden, es ist jedoch zu prüfen, wie die Anforderung einer fehlersicheren Brennstoff-Luft-Verbund-Regelung mit adaptiver Verbrennungsoptimierung insbesondere bei wechselnden Wasserstoffanteilen erreicht werden kann.

Die Feststellung eines allgemeinen Stands der Technik im Bereich Wasserstoffverwendung bei Brennern ist deutschland- und europaweit im vollen Gang und hat zum Ziel, dass Anlagen mit Wasserstoff als Energieträger möglichst innerhalb der nächsten zwei bis drei Jahre einen genauso hohen Standardisierungs- und Sicherheitslevel haben, wie dies bei regulären Anlagen, die konventionelle Brennstoffe nutzen, nun seit vielen Jahrzehnten der Fall ist. Bis es soweit ist, empfiehlt es sich, Planer, Betreiber, Hersteller und zugelassene Überwachungsstellen möglichst frühzeitig in die Projektplanung mit einzubeziehen.