Flexible Energieversorgung und effiziente Energietechnik in der galvanotechnischen Industrie

16. 09. 2019

Am 16. Januar fand am Fraunhofer IPA in Stuttgart ein Workshop zur Konstituierung eines Arbeitskreises für einen offenen Erfahrungsaustausch und die gemeinsame Entwicklung von nachhaltigen Konzepten und Lösungen zur Energietechnik in Galvanikbetrieben unter Einbeziehung von Branchenverbänden statt. Der Arbeitskreis startet mit dem Projekt GalvanFlex_BW, das Lösungsansätze zur flexiblen Kraft-Wärme-Erzeugung entwickeln wird. Diese werden verknüpft mit innovativen Gleichrichterkonzepten, effizienter Prozessführung, Energiespeicherung und weiteren Komponenten nach Bedarf. Insgesamt soll eine deutliche Systemverbesserung der in der Galvanotechnik eingesetzten Energietechnik mit entsprechender Kostensenkung erreicht werden.

Der erste Workshop des neuen Arbeitskreises wurde von einer Arbeitsgruppe der Hochschule Reutlingen und der eiffo eG organisiert. Stellvertretend für beide Partner konnten Prof. Dr. Bernd Thomas (Reutlinger Energiezentrum (REZ), Hochschule Reutlingen) und Udo Sievers (eiffo eG) etwa 40 Teilnehmer begrüßen. Als Vertreter des Umweltministeriums Baden-Württemberg nahm MR Dr. Pascal Bader an der Veranstaltung teil.

Das von Dr. Bader betreute Referat befasst sich unter anderem mit Ressourceneffizienz, aber auch mit modernen Produktionsformen, um beispielsweise die Emissionen einer Produktion so weit als möglich zu minimieren oder gut demontierbare Produkte zur Vermeidung von Abfällen zu entwickeln. Weitere Themen sind die Betrachtung der Grundwasserversorgung, zum Beispiel auch unter Einwirkung von Stoffen wie PFC. In diesem Kontext ist die Verbesserung der Produktion zur Einsparung von Energie ein Thema, das vom Umweltministerium jetzt gefördert wird, und bei dem die Forschung in der Praxis bei den Unternehmen der Branche - sogenannte Reallabore - ein wichtiges Schlüsselelement ist.

Das Förderprojekt GalvanoFlex_BW

Aufgabe des Projekts ist nach den Ausführungen von Prof. Dr. Bernd Thomas der flexible und stromorientierte Einsatz der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK), wobei die Anwendung der Technologie in unterschiedlichen Industriebereichen möglich sein soll. Dafür konnten als Forschungspartner das REZ, die Universität Stuttgart, das Fraunhofer IPA und die eiffo eG gewonnen werden. Als Industriepartner nehmen die Ditec GmbH, die plating electronic GmbH, die NovoPlan GmbH, die Hartchrom GmbH, EnBW und die C&C Bark GmbH teil. Zu den Arbeitspaketen zählen Effizienzbewertungen, Gleichrichter und KWK sowie energie-sozialwirtschaftliche Analysen.

Im weiteren gab Prof. Dr. Sabine Löbbe einen Überblick über Fragestellungen zur Bedeutung der Energieeffizienz im und für Unternehmen, zur Organisation der Arbeiten über Energieeffizienz oder zu den Möglichkeiten der Beseitigung eventueller Hemmnisse bei den betroffenen Unternehmen.

Werner König von der Hochschule Reutlingen stellte die ersten Ergebnisse des Projekts GalvanoFlex_BW vor. Er zeigte dabei auf, welche Elemente für die Arbeiten aus der Gruppe der Akteure betrachtet werden müssen, um die Sinnhaftigkeit der Einführung der Energiespartechnologie abschätzen zu können und die in die Aktivitäten einbezogen werden müssen. Dabei kommt der jeweiligen Unternehmenskultur ein hoher Stellenwert zu. Die in drei Intervalle unterteilten Arbeiten wurden mit der C&C Bark GmbH und der -NovoPlan GmbH bereits abgeschlossen.

Der Kernpunkt der Technik ist die Schaffung einer kontrollierten Stromeinspeisung bei gleichzeitiger Deckung des Wärmebedarfs einer KWK-Einrichtung. Dafür sind neben den Stromspeichern vor allem Wärmespeicher erforderlich. Dazu kann auf ein bereits abgeschlossenes Projekt zur intelligenten Wärme-speicherung zurückgegriffen werden. Hier fließen beispielsweise neben den momentanen Verbrauchsdaten die Wetterdaten oder die Vorausplanung des Verbrauchs in der Produktion ein. Daraus ergeben sich Fahrplanoptimierungen mit den jeweiligen Bedarfswerten für Wärme und Strom. Aus dem Bereich zwischen einem unteren und oberen Wärmebedarf lässt sich die Entscheidung dafür gewinnen, ob ein Blockheizkraftwerk (BHKW) in Betrieb gehen soll oder die Energie aus einem Speicher genommen wird. Diese Verfahren wurden für Privatwohnungen umgesetzt und sollen jetzt auf die Bedürfnisse der Industrie übertragen werden; dabei wird die von der Hochschule Reutlingen entwickelte Software eingesetzt.

Bei einem Projektpartner wurde in Vorüberlegungen gezeigt, dass je nach Variante des KWK-Betriebs Einsparungen zwischen etwa 14 000 und bis zu 18 000 Euro pro Jahr erreichbar sind. Dabei spielt die Größe des gewählten Pufferspeichers eine große Rolle. Im Bereich der Oberflächentechnik bietet sich die Möglichkeit, Elektrolyte unter Umständen als Puffer verwenden zu können. Die bei -NovoPlan durchgeführten Berechnungen lassen Einsparungen zwischen etwa 21 000 und bis zu 29 000 Euro erwarten, wobei für die Puffervolumina zwischen 5000 und 20 000 Liter vorausgesetzt wurden.

Energieflexibilisierung

Eine Einführung in die -Energieflexibilisierung im Zusammenhang mit -Energiespeicherung und Energieeffizienztechnologien gab Ekrem Köse vom Institut für Energieeffizienz in der Produktion (EEP) der Universität Stuttgart. Die Flexibilisierung bei der Energiever-sorgung soll unter anderem dazu genutzt werden, Spitzenlasten zu verschieben, beispielsweise in Tageszeiten, in denen niedrigere Energiepreise vorliegen. Weniger günstiger ist ein Lastverzicht, da dieser nur bedingt möglich ist.

Einfach realisierbar ist eine Lastverschiebung bei kurzen Bearbeitungszeiten, was konkret am Beispiel einer Zinkdruckgussanlage gezeigt wurde. Hier wurde die -Zinkschmelze als Puffer verwendet. Eine weitere Energieflexibilisierung ergibt sich aus der Art des Energieträgers, beispielsweise bei einem Wechsel von Strom auf Gas. Für den Energieträger Strom sind Zeiten mit negativen Energiepreisen günstige Bereiche zum Betrieb einer elektrischen Anlage an Stelle einer solchen mit Gasbetrieb. Voraussetzung ist die Investition in eine bivalente Anlagentechnik. Durchgeführten Befragungen zeigen, dass die Umstellung auf bivalente Energienutzung bei einem hohen Teil der Verfahren möglich ist.

Bei den Speicherarten schneiden die sensiblen Speicher am besten und die thermochemischen Speicher (Basis ist feuchte Luft und Zeolithe) am ungünstigsten ab. Hohe Potenziale bieten Querschnittstechnologien, da diese in unterschiedlichen Industriebereichen zum Einsatz kommen können. Ein weiteres Beispiel ist die Einrichtung einer effizienten Lüftung zur Energiespeicherung sowie die Drucklufterzeugung unter Verwendung eines Druckluftspeichers. Vorteil bei den Drucklufterzeugern ist zudem, dass diese nicht von der EEG-Umlage betroffen sein werden.

Energiespeicherung mittels
Redox-Flow-Batterien

Bei Fraunhofer ICT in Pfinztal wird derzeit ein Redox-Flow-Großbatteriespeicher mit einer Leistung von 2 MW entwickelt, wobei hier erstmals eine Windkraftanlage installiert wurde, die Gleichstrom erzeugt. Wie Dr. Peter Fischer weiter ausführte, sind die Redox-Flow-Batterien durch hohe Ströme und relativ geringe Spannungen bis maximal 60 V gekennzeichnet. Darüber hinaus könnte eine solche Batterie auch zur Erzeugung von reinem Gleichstrom durch die Nutzung von Wechselstrom zum Aufladen der Batterie, also als eine Art Gleichrichter, genutzt werden.

Die Einstellung der Spannung erfolgt über die Verschaltung von Einzelzellen aus Kathoden- und Anodenraum. Als hauptsächlich verwendete Verbindung für die Batterie kommt Vanadium zum Einsatz; prinzipiell kommen aber auch andere Metalle in Betracht. Kommerziell verfügbar und wichtig ist neben Vanadium als Redoxmaterial Zink/Brom. Die Vorteile der Technologie liegen insbesondere in der längerfristigen Speicherung von Energie, um beispielsweise auch Lastspitzen abzufangen.

Energieeinsatz in der Galvanotechnik

Für die galvanotechnischen Verfahren sind je nach Verfahren mehr oder weniger hohe Energiebeträge für Prozesse notwendig, die nicht direkt für die Umsetzung von Metall verwendet werden, wie Stefan -Kölle vom Fraunhofer IPA betonte. Dazu -zählen beispielsweise die Heizung und Kühlung mit Ausgleich der Verdunstungsverluste sowie den Energiemengen für Zu-/Abluft. Damit lassen sich die Verfahren je nach elek-trischer und thermischer Energie einordnen. Hier schneiden vor allem die Hartchromabscheidung und das Harteloxieren schlecht ab.

Für die Energieverluste durch Verdunstung spielt die Strömungsgeschwindigkeit der Luft über einem Elektrolyten die -entscheidende Rolle. Dies bedeutet aber wiederum, dass die Abdeckung der jeweiligen Medien den Verlust verringern kann. Beim Harteloxieren macht sich die übliche intensive Kühlung als energieintensiver Teil des Verfahrens negativ bemerkbar, bei dem bis zu 70 Prozent des Energieeintrags als Verlustwärme zu verzeichnen sind.

Im Rahmen von Entwicklungsarbeiten konnte eine deutliche Verbesserung des Energieverbrauchs durch Pulsanodisation nachgewiesen werden. Damit ist es möglich, bei höheren Prozesstemperaturen zu arbeiten, ohne die Qualität der Oxidschicht zu beeinträchtigen. Im Endeffekt konnten damit 40 Prozent der Energie eingespart werden.

In einem weiteren Projekt wurde die Hartverchromung betrachtet, bei der sich vor allem schlechte Stromausbeuten oder starke Luftabsaugungen durch hohe Energieverluste auszeichnen. Als Verbesserungspotenzial kann eine Verbesserung der Streufähigkeit, eine geringere Gleichrichterspannung oder die Erhöhung der Stromdichte gesehen -werden.

-Gleichspannungsversorgung in der Industrie

Während in der Galvanotechnik Gleichstrombetrieb allgegenwärtig ist, spielen Gleichstromprozesse in der übrigen produzierenden Industrie keine Rolle. Am Fraunhofer IPA werden Untersuchungen durchgeführt, mit denen die Einsatzmöglichkeiten der Gleichstromtechnologie für weitere Industrieproduktionen ermittelt werden sollen. Die von Sebastian Weckmann dargestellte Technik zeichnet sich durch einen geringeren Installationsaufwand, geringere Energieverluste, eine höhere Verfügbarkeit und geringere -Gerätekosten aus.

Die ermittelten Vorteile waren der Antrieb zur Entwicklung eines Gesamtkonzepts, um die bisherigen Geräte von Wechselstrom auf Gleichstrom umzustellen. Dies beinhaltet ein Gesamtsystemkonzept, entsprechende Gerätetechnik, ein Netzmanagement sowie die Evaluierung der Anwendung. Bereits aufgebaut wurde auf Basis der Gleichstromtechnik eine Roboterzelle für das Schweißen und Kleben. Des Weiteren wird daran gearbeitet, ein Transportsystem für Fahrzeugkomponenten sowie eine Abfüllanlage für Getränke zu realisieren. Bei letzterem führen die bisher eingesetzten Wechselstromtechniken aufgrund von Netzschwankungen oder Netzeinbrüchen zu vehementen Anlagenstörungen, wodurch auch seitens der Anwender ein hoher Druck zur Einführung der sicheren Gleichstromverfahren vorhanden ist.

Getaktete Gleichrichter

Der Projektpartner plating electronic stellt unter anderem Gleichrichter für die Stromabnahme von KWK mit Wechselstromausgang her, die Wirkungsgrade zwischen 87 und 95 Prozent aufweisen. Im Rahmen des neuen Projekts soll die Umwandlung von Gleichstrom auf Wechselstrom vermieden werden. Mit den dafür eingesetzten Gleichrichtern sollte eine Erhöhung des Wirkungsgrades um etwa vier Prozent möglich sein. Die Technik wird derzeit in Versuchsanlagen in Reutlingen getestet.

Blockheizkraftwerk in der Praxis

Seit 2016 ist bei der Hartchrom GmbH ein Blockheizkraftwerk in Betrieb, ausgelöst durch sehr hohe Kosten für Öl in dieser Zeit, wie der Geschäftsführer des Unternehmens, Matthias Enseling, einführend betonte. Das Unternehmen beschichtet mit unterschiedlichen Metallen, führt Reinigungen durch oder elektropoliert metallische Teile. Die Arbeiten werden derzeit mit zehn automatischen und Handanlagen ausgeführt. Da diese Anlagen sehr unterschiedlich ausgestattet sind, werden an das Wärmemanagement besondere Anforderungen gestellt. Etwa zwölf Prozent des Umsatzes müssen für Wärme ausgegeben werden (Stand vor 2013). Anfangs musste dafür zunächst ein Gasanschluss eingerichtet werden, um ein gasbetriebenes BHKW einrichten zu können. Damit sollte eine Einsparung von 500 000 Euro pro Jahr erzielt werden, also ein ROI von unter zwei Jahren (so die Ausgangsplanung).

Nach einem vollen Jahr Betrieb weist das BHKW etwa 5300 Betriebsstunden aus, wobei der Teillastbetrieb mit etwa 3200 Stunden relativ hoch ist. Daraus ergeben sich Einsparungen in Höhe von 20 000 Euro pro Monat, also einiges weniger als prognostiziert.

Als Gründe für die Diskrepanz lassen sich unter anderem die Balance zwischen Rücklauftemperatur und Prozesswärme, ein hoher Wartungsbedarf des BHKW, der hohe Energiebedarf von einigen Prozessen (Sealing mit 95 °C), aber auch die Änderungen beim EEG identifizieren. Eine deutliche Änderung ist bei der Raumheizung zu verzeichnen, die bei Verwendung von BHKWs deutlich höher sein kann. Als besonders wichtig nannte der Vortragende die Zusammenarbeit mit kompetenten Partnern, die sich mit dem Einsatz in der Oberflächentechnik auskennen sollten. Als einer der wenigen Teile funktioniert der vorhandene Wasserspeicher derzeit noch nicht.

Energieeffizienz im Lohnbetrieb

Ebenfalls seine Erfahrungen mit der Technologie der Blockheizkraftwerke trug Sven Reimold von der Strähle Galvanik und der MVB Bretten vor. Als entscheidender Vorteil der Ausstattung bei der Strähle Galvanik kann die Verteilung in vier BHKWs gelten. Damit ist eine hohe Verfügbarkeit garantiert und zudem kann vermieden werden, dass die Monatshöchstleistungen an Strom stark nach oben getrieben werden.

Auch Sven Reimold wies ausdrücklich darauf hin, dass die Auswahl der richtigen Partner und der geeigneten Heizkrafttechnologie entscheidende Faktoren für einen erfolgreichen Einsatz der Technologie sind. Darüber hinaus wies er allerdings darauf hin, dass die langfristige Erfolgsplanung durch die nicht vorhersagbaren und sich schnell ändernden Entscheidungen seitens der Gesetzgebung mit drastischen Änderungen bei den Abgaben häufig zunichte gemacht wird. So sind seine Energiekosten trotz sinkendem Gesamtverbrauch durch stark gestiegene Abgaben ins Gegenteil verkehrt wurden.

Einsparung durch BHKWs

Der von Sven Reimold gewählte Partner für die Einrichtung des Blockheizkraftwerks einschließlich Energiemanagement ist die Staudt GmbH, dessen Geschäftsführer Klaus Staudt einen Einblick in die Voraussetzungen und Ausführungen der Technologie gab. Die ersten drei BHKWs bei der Strähle Galvanik führen zu Einsparungen in Höhe von 44 000 Euro und das stromgeführte BHKW zu Einsparungen in Höhe von 35 000 Euro. Wichtig bei der Betrachtung ist die Tatsache, dass bei BHKW eine Energieeffizienz von 85 Prozent als ökologisches Ziel betrachtet werden muss.

Wichtiges Element einer Anlage sind die Pufferspeicher. Im Sommer werden die BHKW vorteilhafterweise nur stromgeführt betrieben, im Winter auch wärmegeführt. Ein Kontrollsystem sorgt dafür, dass die Be- und Entladung der Puffer optimal betrieben wird. Eine zusätzliche Photovolataikanlage sollte auf jeden Fall mit einem intelligenten Steuerungssystem ausgestattet werden, damit Strom in Abhängigkeit der Kosten abgenommen werden kann. Damit können Kompensationsanlagen für Strom eingespart werden.

Ansätze für weitere Arbeiten

Zum Abschluss der sehr interessanten Veranstaltung gaben die Teilnehmer Anregungen über weitere Aspekte der Arbeiten. So könnte darüber nachgedacht werden, die vor allem in den Sommermonaten anfallende überschüssige Wärme zum Beispiel zur Reduzierung der Abwassermengen einzusetzen. Dies würde die Bemühungen auf dem Weg zur abwasserfreien Produktion unterstützen. Des Weiteren ist es nach Ansicht der Teilnehmer wichtig, die Technologie unter den Bedingungen der betrieblichen Praxis für die teilweise sehr unterschiedlichen Auslegungen der oberflächentechnischen Betriebe zu optimieren. Hier sind die Hersteller von Anlagensteuerungen zur Mitarbeit aufgerufen, um mit ihrem Know-how und der Entwicklung neuer Steuerungstechniken einen Beitrag zu -leisten.

Insgesamt sollten die Arbeiten auch für andere Produktionsarten hilfreich sein, insbesondere unter dem Aspekt der stark unterschiedlichen Ausstattung der Unternehmen und deren teils erheblichen Schwankungen bei den Energieverbräuchen.

www.eiffo.de

 

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