Bei der Extrusion wird der Kunststoff von Umgebungstemperaturniveau auf ein erhöhtes Temperaturniveau (meist >180°C) erwärmt, so dass die Schmelze plastisch verformbar wird. Nach der Ausformung des Produktes (Folie, Rohr, Profil, Platte, etc.) wird das Produkt zur Erreichung einer Formstabilität wieder auf Umgebungstemperatur abgekühlt. Es wird somit zunächst thermische Energie „erzeugt“, die direkt im Anschluss an den formgebenden Prozessschritt wieder „vernichtet“ wird. Eine Nutzung von Abwärme ist somit naheliegend, aber wie, womit und wozu?
Letztendlich wird bei der Extrusion kontinuierlich (sehr kostenintensive) elektrische Energie eingesetzt um damit im Extruder sowie in den elektrischen Heizungen thermische Energie zu erzeugen (Energieumwandlung). Diese thermische Energie wird zu einem Teil als „Abwärme“ an die Umgebung übertragen, ist aber zum größten Teil im Extrudat als thermische Energie „gespeichert“. In der Kühlstrecke wird diese thermische Energie dem Extrudat entzogen (das Produkt wird abgekühlt). Die Abfuhr der Energie erfolgt dabei über klassische Prinzipien der Wärmeübertragung und erfolgt an ein sekundäres Medium (meist Wasser, Luft, Öl). Dieses Kühlmedium wird zu dessen Rückkühlung einer Kältemaschine oder einem Freikühler zugeführt, der diese thermische Energie in einem elektrisch angetriebenen (kostenintensiven) Prozess an die Umgebung abführt.
Es wird also zunächst elektrische Energie eingesetzt um thermische Energie zu „erzeugen“ und anschließend noch einmal elektrische Energie eingesetzt um die im Produkt enthaltene thermische Energie wieder zu „vernichten“.
Die wichtigsten Voraussetzungen zur Abwärmenutzung
Damit Abwärme sinnvoll genutzt werden kann sind gewisse Voraussetzungen zu erfüllen. Die folgende Auflistung zeigt die Voraussetzungen die sich in der Kunststoffverarbeitung als sinnvoll erwiesen haben, auch wenn in anderen Situationen sicher andere Kriterien gelten.
- Die Abwärme ist in einem konkreten Volumenstrom gebunden (z.B. Kühlwasserkreislauf, Ölkreislauf, Luftvolumenstrom) und liegt nicht als latente Abwärme (z.B. warme Oberflächen) vor.
- Die Abwärme verfügt über ein interessantes Temperaturniveau (ab ca. 50°C – je höher desto besser).
- Es existiert eine „Wärmesenke“ die vom Leistungsbedarf her zur „Wärmequelle“ passt.
Zu Punkt 1: Volumenstrom
Häufig ist die Wunschvorstellung, dass latent vorhandene Abwärme als Wärmequelle genutzt wird. Latente Abwärme liegt in Extrusionsbetrieben an vielen verschiedenen Stellen vor, beispielsweise an den warmen Oberflächen des Extruderzylinders, der Extrusionswerkzeuge, Getriebe, Antriebe oder aber z.B. die Kühlluft der Extruderkühlgebläse. Die Nutzbarmachung von Abwärme aus den vorgenannten Quellen ist jedoch schwierig und in den meisten Fällen nicht wirtschaftlich realisierbar. Damit eine Abwärmenutzung realistisch wird, muss die Abwärme zunächst in einen konkreten Volumenstrom überführt werden, der geeignet ist die Wärme einem Folgeprozess zuzuführen (z.B. Ölkreislauf oder Wasser).
Im Falle einer warmen Oberfläche würde dies bedeuten, dass dort ein Wärmetauscher (z.B. ein wasserführendes System) eingesetzt werden muss. Der Einsatz eines Wärmetauschers würde aber zwangsweise dazu führen, dass die Oberfläche nun aktiv gekühlt wird (da ja nun Wärme an das durchströmende Wasser abgegeben wird). Diese aktive Kühlung würde nun die Oberflächentemperatur senken, so dass (z.B. im Falle eines Extrusionswerkzeuges) die dort installierten Heizzonen von den Reglern häufiger eingeschaltet werden. Dadurch würde logischerweise die elektrische Leistungsaufnahme der Heizzonen ansteigen. Der Energieverbrauch würde somit zunehmen! Diese Situation ist natürlich zu vermeiden.
Bessere Möglichkeiten zur Abwärmenutzung existieren dort, wo die Abwärme bereits in einem konkreten Volumenstrom abgegeben wird. Bei der Extrusion sind dies beispielsweise:
- Wasserkühlung von Zylinderzonen oder der Nutbuchse (z.B. Mehrwellenextruder)
- Flüssigkeitskühlung von Antrieben, Getrieben
- Flüssigkeitskühlung von (Druckluft-)Kompressoren
- wassergekühlte Extrusionswerkzeuge
- Kühlwasser zur Produktkühlung (Werkzeugkühlung, Hydraulikkühlung beim Spritzguss)
- Luftinnenkühlung von Rohren, Hohlstäben
- Abwärme aus Blockheizkraftwerken (Kühlkreislauf des Motors, Abgaswärmetauscher)
- etc.
Zu Punkt 2: Temperaturniveau der Abwärme
Das Temperaturniveau der Abwärme ist ein weiteres wichtiges Kriterium bei der Überprüfung, ob eine Wärmequelle sich zur Abwärmenutzung eignet. Pauschal kann dabei festgehalten werden, dass je höher das Temperaturniveau ist, die Nutzbarkeit der Wärme um so wahrscheinlicher wird. Generell bieten sich verschiedene Möglichkeiten zur Abwärmenutzung in Abhängigkeit des Temperaturniveaus für Extrusionsbetriebe an.
Bei Temperaturen unterhalb von 20°C ist eine Abwärmenutzung nur selten sinnvoll. In diesem Fall sollte darauf geachtet werden, dass möglichst geringe Kosten für die Kühlung der Abwärme anfallen. Dabei sollten Kühlsysteme ohne Kompressoren (Kühltürme, Freikühler) gegenüber den Kompressionskältemaschinen bevorzugt werden, da deren Energiebedarf erheblich geringer ist.
Überschreitet das Temperaturniveau 40°C ist eine sinnvolle Nutzung in Flächenheizungen gewährleistet. Wichtig ist, dass hierbei immer berücksichtigt werden muss, dass eine Abwärmenutzung zu Heizzwecken nur saisonal Energieeinsparungen realisieren kann, da bekanntlich im Sommer weniger geheizt werden muss.
Oberhalb von 55°C können auch Warmlufterzeuger und Radiatorheizsysteme sowie die Brauchwassererwärmung in Betracht gezogen werden.
Zusätzlich wird ab einem Temperaturniveau von etwa 55°C auch die Thematik der Abwärmenutzung zur Granulatvorwärmung interessant, sofern weitere Rahmenbedingungen erfüllt sind.
Ab einem Temperaturniveau oberhalb von 70°C können auch wärmegetriebene Kältemaschinen (Absorptions- und Adsorptionskältemaschinen) betrieben werden, was jedoch zwingend mit dem Bedarf an Nutzkälte abgeglichen werden muss. Verstromungsprozesse werden erst deutlich oberhalb von 90°C interessant und hier gilt die Regel, je höher das Temperaturniveau desto wirtschaftlicher.
Zu Punkt 3: Die passende Wärmesenke
Das Vorhandensein einer passenden Wärmesenke ist häufig eines der größten Probleme bei der Umsetzung von Abwärmenutzungsprojekten in kunststoffverarbeitenden Betrieben. Meist ist entweder die Menge (thermische Leistung) der zur Verfügung stehenden Abwärmequelle derart gering, dass eine sinnvolle Verwendung nicht wirtschaftlich ist, oder die zur Verfügung stehende thermische (Abwärme-)Leistung ist derart hoch, dass keine passende Wärmesenke gefunden werden kann.
Möglichkeit zur Potenzialabschätzung
Zur Ermittlung, ob eine Abwärmenutzung sinnvoll ist, bietet es sich an das dadurch resultierende Einsparpotenzial zunächst zu überschlagen. Als wichtigster zu bestimmender Wert gilt dabei die thermische Leistung der Abwärmequelle.
Die thermische Leistung wird errechnet aus der spezifischen Wärmekapazität, der Temperaturdifferenz (Delta T) sowie dem Massenstrom (Volumenstrom, Dichte).
Beispiel #1: Kühlwasser aus einem Extrusionsprozess zur Kühlung eines Rohres:
Vorlauftemperatur: 14°C | Rücklauftemperatur: 16°C | Volumenstrom: 7.500l/h
–> Thermische Leistung: ~17,4kW
Beispiel #2: Thermalöl zur Getriebekühlung
Vorlauftemperatur: 75°C | Rücklauftemperatur: 110°C | Volumenstrom: 100kg/h
–> Thermische Leistung: ~0,5kW
Beispiel #3: Luftströmung einer Heiz-Kühl-Kombination
Vorlauftemperatur: 20°C | Rücklauftemperatur: 125°C | Volumenstrom: 10m³/h | Ein-Aus-Betrieb
–> Thermische Leistung: ~0,29kW
Warm ist nicht immer gleichzusetzen mit „energiereich“
Oben gezeigte Beispiele zeigen deutlich, dass nicht nur das Temperaturniveau einer Abwärmequelle als maßgeblich für den Energiegehalt herangezogen werden darf, sondern der Volumenstrom gleicherweise berücksichtigt werden muss. Während die warme Luft die aus einem Gebläse der Extruderkühlung oder das warme Öl einer Getriebekühlung oft als Energiereich wahrgenommen wird, wird die thermische Leistung die im Kühlwasser gebunden ist oft gar nicht realisiert. Aufgrund der hohen Volumenströme ist der Energieinhalt dort jedoch um ein vielfaches höher, ist jedoch aufgrund des geringen Temperaturniveaus schlecht nutzbar.
Ist die thermische Leistung der Abwärme erst einmal bekannt, kann mit einfachen überschlägigen Faustformeln abgeschätzt werden, ob eine Abwärmenutzung sinnvoll sein kann. Dabei wird die thermische Leistung in eine mögliche jährliche Einsparung in Euro umgerechnet, unter der Annahme
- dass die Abwärme mit einem Wirkungsgrad von 75% genutzt werden kann,
- dadurch eine elektrische Energiequelle substituiert werden kann (0,15€/kWh Strompreis) wobei natürlich
- die jährlichen Betriebsstunden berücksichtigt werden müssen.
Für eine Abwärmequelle mit Q=50kW thermischer Leistung bedeutet dies somit:
K = 50kW * 0,15€/kWh * 5.000h/a * 0,75
K = 25.125€/a
Es ergibt sich somit ein jährliches Einsparpotenzial von ca. 25.000€. Folglich darf grob überschlagen die Maßnahme etwa 50.000€ an Investitionskosten benötigen, sofern von einer Amortisationszeit von etwa 2 Jahren ausgegangen werden muss.
In einem nachfolgenden Beitrag werden wir Ihnen die Details zur „Abwärmenutzung zur Granulatvorwärmung“ sowie viele interessante Versuchergebnisse zeigen.
In unserem kostenlosen Downloadbereich finden Sie weitere hilfreiche Informationen zum Thema Abwärmenutzung sowie auch ein Excel-Tool zur Berechnung der thermischen Leistung in unterschiedlichen Energieströmen.
