Freitag, 26 Juni 2020 07:31

Erhöhung der Energieeffizienz in einem Galvanikunternehmen (Teil 3)

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Erhöhung der Energieeffizienz in einem Galvanikunternehmen (Teil 3)

3 Analyse des Istzustandes

3.2.1 Lüftungsanlagen zur Absaugung der galvanischen Bäder

Wie bereits zuvor beschrieben, befinden sich im Bereich 1 die 4 Bäder mit den Bezeichnungen „Entchromung, Tiefbad 1, Rechteckbad und Langbad“. Die Bäder sind in Abbildung 13 aufgeführt.

Jedes Bad ist zur Vermeidung von explosionsfähigen Gemischen mit einem Schlitzabsaugsystem bestückt. Innerhalb des Kanalsystems ist je Bad ein Vorabscheider installiert. Des Weiteren wird die Abluft einem zentralen Wäscher zugeführt. Ein zentraler Ventilator ist dem Wäscher nachgeschaltet, wobei die Daten des Ventilators in der Tabelle 5 aufgeführt sind.

Bezeichnung	Einheit	Wert
Volumenstrom	m³/h	10 000
Differenzdruck (total)	Pa	2320
Elektrische Leistung	kW	12,5
Berechneter Luftwechsel Bereich 1	1/h	2,1

Tab. 5: Daten des zentralen Ventilators und des Luftwechsels des Bereichs 1

Abb. 13: Darstellung der Bäder und der Lüftungssysteme für den Bereich 1 [IB Potthoff]Die Zuluft wird über Nachström-Öffnungen in der Gebäudehülle dem Bereich 1 zugeführt.

Die Beheizung der Halle (statisch) und die der Zuluft (dynamisch) erfolgt über Umluftheizgeräte.

In der Abbildung 13 ist die bestehende Abluftanlage mit den dazugehörigen Bädern für den Bereich 1 dargestellt.

Der Bereich 2 beinhaltet die „Tiefbäder 2 bis 6“ sowie die galvanische Vernickelungsanlage, die aus „Bad 6“ besteht.

Die chemische Vernickelungsanlage beinhaltet die Bäder „Schlagnickelbad und zweimal Mattnickelbad“.

Auch hier erfolgt die Absaugung der Luft je Becken über am Beckenrand befindliche Schlitzabsaugsysteme.

Innerhalb des Kanalsystems ist für die Bäder 2, 3 und 4 ein Vorabscheider installiert.

Bezeichnung	Einheit	Wert
Volumenstrom	m³/h	6000
Differenzdruck (total)	Pa	2880
Elektrische Leistung	kW	7,5
Berechneter Luftwechsel Bereich 2	1/h	3,2

Tab. 6: Daten der zentralen typengleichen Ventilatoren und des Luftwechsels des Bereichs 2

Des Weiteren wird die Abluft mit einem zentralen Wäscher zusätzlich gereinigt. Ein zentraler Ventilator ist dem Wäscher nachgeschaltet.

Die Abluft der Bäder 5 und 6 wird jeweils mit einem separaten Wäscher gereinigt. Ein Ventilator ist jedem Wäscher nachgeschaltet.

Die Daten der drei zentralen typengleichen Ventilatoren und der Luftwechsel des Bereichs 2 sind in Tabelle 6 enthalten.

Ebenso wie im Bereich 1 wird die Zuluft über Nachström-Öffnungen in der Gebäudehülle dem Bereich 2 zugeführt.

Die Beheizung der Halle (statisch) und die der Zuluft (dynamisch) erfolgt auch hier über Umluftheizgeräte.

Abb. 14: Darstellung der Bäder und der Lüftungssysteme für den Bereich 2 [IB Potthoff]In der Abbildung 14 sind die bestehenden Abluftanlagen mit den dazugehörigen Bädern für den Bereich 2 dargestellt.

Eine zu den Abluftanlagen korrespondierende Zuluft-Anlage ist nicht vorhanden. Die Folge ist, dass insbesondere in der kalten Jahreszeit, erhebliche Zugerscheinungen auftreten.

Über die Abluftanlagen wird ein Großteil an Energie aus dem Produktionsbereich ungenutzt abgeführt, da Wärmerückgewinnungs-Systeme nicht installiert sind.

Ermittlung der Luftvolumenströme der relevanten Bäder

Wie aus den Abbildungen 13 und 14 ersichtlich ist, sind die relevanten Volumenströme, hier die der galvanischen Bäder, nicht bekannt. Um bewerten zu können, ob die angegebenen Volumenströme der Ventilatoren ausreichend bemessen sind, werden nachfolgend die Volumenströme der Bäder ermittelt.

Die Berechnung des Mindestabluftvolumenstromes Vmin erfolgt auf der Grundlage der DIN EN 17059 [1]. Demnach ist der Volumenstrom der Bäder nach den Schutzkriterien „inhalative und explosive Gefährdungen“ zu unterscheiden. Der höhere Volumenstrom ist dann zu berücksichtigen.

Nach dem aktuell gültigen Genehmigungsbescheid ist der Mindestvolumenstrom für die „explosive Gefährdung“ maßgeblich und zu bestimmen.

Die Bewertung des Mindestabluftvolumenstromes für die Bäder erfolgt auf Basis der nachfolgenden Gleichung <1>. Als Stoff wurde Wasserstoff H2 betrachtet, der bei dem galvanischen Prozess an der Kathode anfällt. Mit der unteren Explosionsgrenze für Wasserstoff wurde dann der erforderliche Mindestluftvolumenstrom bestimmt.

VH₂ = c · l · t · ή · ρ/Ko_H2 Gl. <1>

Darin sind:

VH₂ = Volumenstrom [m³/h]

c = elektrochemisches Abscheidungsäquivalent [g/Ah]

I = Stromstärke [A]

t = Zeit [h]

ή = Wirkungsgrad der Hartverchromung [%]

ρ = Dichte [kg/m³]

Ko_H2 = Konzentration H₂ [Vol. %] (zulässig)

Die Ergebnisse der Volumenstromberechnung sind in Tabelle 7 enthalten.

Demnach sind die in Tabelle 7 aufgeführten Mindestvolumenströme zur Vermeidung von explosionsfähigen Gemischen an den jeweiligen Bädern herzustellen.

Bezeichnung	Einheit	Wert
Volumenstrom Bad 1	m³/h	3000
Volumenstrom Bad 2	m³/h	3000
Volumenstrom Bad 3	m³/h	3000
Volumenstrom Bad 4	m³/h	6000
Volumenstrom Bad 5	m³/h	3000
Volumenstrom Bad 6	m³/h	4000

Tab. 7: Erforderliche Absaugvolumenströme der Bäder

Abb. 15: Leistungsaufnahme der Abluftventilatoren der Bäder [IB Potthoff]Wie zuvor beschrieben sind die betriebenen Volumenströme der Ventilatoren nicht bekannt. Um eine erste grobe Einschätzung der Volumenströme der Ventilatoren im Istzustand vornehmen zu können, wird nachfolgend die gemessene Wirkleistungsaufnahme der Ventilatoren über den Zeitraum 1.2.2017 bis 10.2.2017 ausgewertet. Die Auswertung ist in Abbildung 15 enthalten.

Aus Abbildung 15 wird die produktionsabhängige Betriebsweise der Ventilatoren ersichtlich.

Der Ventilator für den Bereich 1 wird über die Woche konstant mit 100 Prozent betrieben, wobei er nach dem Produktionsende über das Wochenende abgeschaltet wird.

Der Ventilator der Bäder 2 ,3, 4 wird zweistufig, im Tagbetrieb mit 100 Prozent und im Nachtbetrieb mit 50 Prozent betrieben.

Der Ventilator von Bad 5 wird über die Woche tagsüber konstant betrieben, wobei er nachts für einige Stunden heruntergefahren wird.

Der Ventilator von Bad 6 und von den Bädern der chemischen Vernickelung wird über den Zeitraum konstant betrieben. Ein Abschalten, beispielsweise an den Wochenenden, erfolgt nicht.

Alle anderen Ventilatoren werden am Wochenende nach Produktionsschluss abgeschaltet.

In der Tabelle 8 sind die gemessenen elektrischen Daten der Abluftventilatoren aufgeführt.

Bezeichnung	Einheit	Wert
Elektr. Leistung Ventilator Bereich 1	kW	10,7
Elektr. Leistung Ventilator Elektr. Leistung Ventilator Bad 2, 3, 4	kW	7,1
Elektr. Leistung Ventilator Bad 5	kW	6,2
Elektr. Leistung Ventilator Elektr. Leistung Ventilator Bad 6 Vernickelung	kW	2,3
Stromverbrauch Ventilator Bereich 1	kWh/a	52 710
Stromverbrauch Ventilator Stromverbrauch Ventilator Bad 2, 3, 4	kWh/a	37 992
Stromverbrauch Ventilator Bad 5	kWh/a	23 939
Stromverbrauch Ventilator Stromverbrauch Ventilator Bad 6 Vernickelung	kWh/a	18 298
Gesamtstromverbrauch Ventilatoren	kWh/a	132 940

Tab. 8: Elektrische Daten der Abluftventilatoren

Auf Basis der in Tabelle 7 aufgeführten elektrischen Leistungen wird der Betriebsvolumenstrom auf Basis nachfolgender Gleichung <2> bewertet.

V$_2$ = V$_1$ $\cdot$ $\frac{P_2
^3}{P_1^3}$ Gl. <2>

Darin sind:

V₁ = Volumenstrom Betriebspunkt 1 (Typenschild) [m³/h]

V₂ = Volumenstrom Betriebspunkt 2 [m³/h]

P₁ = Elektrische Leistung Betriebspunkt 1 (Typenschild) [kW]

P₂ = Elektrische Leistung Betriebspunkt 2 (gem. Tab. 7) [kW]

Die Vorgehensweise ist nur zulässig, wenn keine baulichen Veränderungen an den Abluftanlagen vorgenommen wurden. Dies war hier der Fall.

In Tabelle 9 sind die elektrischen Soll-/Ist-Leistungen und die Volumenströme gegenübergestellt:

Bezeichnung	Elektrische Leistung Ist (gemessen)Elektrische Leistung Ist (gemessen) kW	Elektrische Leistung TypenschildElektrische Leistung Typenschild kW	Volumenstrom TypenschildVolumenstrom Typenschild m³/h	Volumenstrom Ist Volumenstrom Ist (gem. Gl. <2>) m³/h	Volumenstrom Soll Volumenstrom Soll (gem. Gl. <1>) m³/h
Volumenstrom Bereich 1 (Bad 1)	10,7	12,5	10 000	6272	10 000
Volumenstrom Bad 2, 3, 4	7,1	7,5	6000	5090	12 000
Volumenstrom Bad 5	6,2	7,5	6000	3390	6000
Volumenstrom Bad 6 und Vernickelung	2,3	7,5	6000	173	6000

Tab. 9: Gegenüberstellung der elektrischen Soll-/Ist-Leistung und die des Volumenstromes der Abluftventilatoren

In der Tabelle 9 wurde auf Basis der gemessenen elektrischen Ventilatorleistung der Ist-Volumenstrom berechnet. Des Weiteren ist in Tabelle 9 je Bad der berechnete Mindestvolumenstrom aufgeführt.

Somit kann ein Vergleich angestellt werden, ob die vorhandenen Abluftventilatoren zukünftig weiter genutzt werden können.

Im Bereich 1 wird ein Volumenstrom von 10 000 m³/h berücksichtigt. Dabei wird für Bad 1 ein Abluftvolu-menstrom von 3000 m³/h und für die weiteren Bäder wie Entchromung, Rechteck- und Langbad werden jeweils ca. 2300 m³/h berücksichtigt.

Im Bereich 2 wird ein Volumenstrom für die Bäder 2, 3 und 4 von 12 000 m³/h berücksichtigt. Für die Bäder, Bad 5 und Reservebad, wird ein Abluftvolumenstrom von 6000 m³/h berücksichtigt, damit ein gemeinsamer Badbetrieb zukünftig möglich ist.

Für die Bäder 6 und für die weiteren Bäder wie Schlagnickelbad und 2-mal Mattvernickelungsbad wird ein Abluftvolumenstrom von 6000 m³/h berücksichtigt. Dabei wird für Bad 6 ein Abluftvolumenstrom von 4000 m³/h und für die weiteren Bäder jeweils von ca. 1000 m³/h berücksichtigt, da die Bäder Mattvernickelung nicht parallel betrieben werden.

In der neuen Produktionshalle werden nach Angabe des Galvanikunternehmens die vorhandenen Hauptanlagenkomponenten wie Wäscher und Ventilator mit effizientem Motor wieder installiert. Die Rohre, bzw. Kanäle mit Einbauten werden erneuert.

Des Weiteren ist es seitens des Galvanikbetriebes beabsichtigt zu prüfen, ob eine Ab- beziehungsweise Teilabdeckung der Bäder zur Reduzierung des Abluftvolumenstroms in Abhängigkeit des Galvanikprozesses möglich ist. Diese sind in [2] beschrieben.

Im Zuge der Installation der Zu- und Abluftanlagen sollte zusätzlich ein Wärmerückgewinnungs-System (Kreislauf-Verbund-System) berücksichtigt werden.

Die zuvor erarbeiteten Erkenntnisse werden bei der Ermittlung des zukünftigen Energiebedarfs berücksichtigt.

3.2.2 Prozessbeheizung und -kühlung

Abb. 16: Verlauf der elektrischen Leistung der Bäder und die der Blindverstromung [IB Potthoff]Prozessbeheizung

Zur Einhaltung der erforderlichen galvanischen Rahmenbedingungen wie

Konstanthaltung der Badtemperatur
Schaffung eines annähernd homogenen Elektrolyten
Einhaltung der erforderlichen Aufheizzeit vor Beginn des Galvanikprozesses

werden die Bäder mit „Joulscher Wärme“ beheizt. Dies erfolgt durch „Blindverstromung“. In Zeiten, in denen nicht produziert wird, erfolgt die Blindverstromung unter Einbringung eines Werkstücks, das den galvanischen Prozess simuliert. Die Regelung der Blindverstromung erfolgt in Abhängigkeit der Badtemperatur von ca. 50 °C.

In Zeiten, in denen produziert wird, resultiert die Blindverstromung im Wesentlichen aus dem Aufheizbetrieb und den thermischen Verlusten der Bäder.

In der Abbildung 16 sind der Verlauf der elektrischen Leistung der Bäder und der Blindverstromung über den Zeitraum vom 1.2.2017 bis zum 10.2.2017 enthalten.

Wie aus dem Verlauf der Blindverstromung in Abbildung 16 ersichtlich ist, beträgt die Blindstromleistung zwischen 25 kW bis 50 kW. An den Wochenenden zeigt sich eine höhere Blindstromleistung als in der Woche.

In Abbildung 17 ist die geordnete Jahresdauerlinie der elektrischen Leistung der Blindverstromung enthalten.

Aus Abbildung 17 kann die maximale Blindstromleistung entnommen werden. Die Fläche unter dem Graphen ergibt die jährliche Blindstromarbeit.

Dies bedeutet, dass diese elektrische Energie zukünftig durch thermische Energie mit einem BHKW und eines Heizkessels zur Beheizung der galvanischen Bäder erbracht werden könnte.

Die zuvor ermittelten Verbrauchswerte der Blindverstromung werden bei der Bewertung der alternativen Beheizung mit einem Blockheizkraftwerk berücksichtigt.

Bezeichnung	Einheit	Wert
Stromverbrauch Blindverstromung	kWh/a	221 967
Leistung Blindverstromung	kW	50
Prozentualer Anteil der Blindverstromung am Stromverbrauch der Bäder	%	12,20

Tab. 10: Daten der Blindverstromung

Abb. 17: Geordnete Jahresdauerlinie des Strombedarfs der Blindverstromung [IB Potthoff]Die Auswertung des Stromverbrauchs der Blindverstromung über das Jahr 2017 ist in Tabelle 10 aufgeführt.

Prozesskühlung

Die Kühlung der nachfolgenden Anlagen erfolgt mit 4 Rückkühlwerken, die auf dem Becken (warme/kalte Seite) aufgestellt sind.

Die zu kühlenden Anlagen sind im Wesentlichen:

die Gleichrichter und
die Galvanikbäder.

Das Kreislaufwasser wird gefiltert und ist chemisch konditioniert. Die Verbraucher sind vom Kühlkreislauf über Röhrenbündel-Kühler hydraulisch getrennt.

Nach Angabe des Galvanikunternehmens wird das Kühlverfahren auch zukünftig beibehalten. Am zukünftigen Produktionsstandort wird die vorhandene Kühlanlage wieder installiert.

Eine unterstützende Kühlung mit der Abwärme des Blockheizkraftwerks mit einer Absorptions-Kältemaschine wird aus technischen und wirtschaftlichen Aspekten nicht weiterverfolgt.

-wird fortgesetzt-