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Umwelttechnik

Umwelttechnik: 15.02.2013

Energieverbrauch systematisch optimieren

Schon wenige gezielte Veränderungen innerhalb einer Produktionskette können massive Kosteneinsparungen bewirken. Angesichts steigender Kosten für Energieträger lohnt es sich immer häufiger, Optimierungspotenziale beim Energieverbrauch aufzuspüren und zu nutzen. Hier setzt die Pinch-Analyse an. Die Luterbach AG nutzt dafür eine von der Hochschule Luzern entwickelte Software.

Durch die Optimierung mit "PinCH" und weiteren Optimierungsmaßnahmen, z.B. mit Wärmepumpe (WP) oder Blockheizkraftwerk (BHKW), lassen sich deutliche Energieeinsparungen erzielen. Quelle: e. Luterbach

Durch die Optimierung mit "PinCH" und weiteren Optimierungsmaßnahmen, z.B. mit Wärmepumpe (WP) oder Blockheizkraftwerk (BHKW), lassen sich deutliche Energieeinsparungen erzielen. Quelle: e. Luterbach

"Die Pinch-Analyse ermöglicht einen genauen Überblick darüber, wie Energieströme – etwa beim Lackieren – intelligent gekoppelt werden können, um einen optimalen Energieeinsatz und das beste Anlagendesign zu erreichen", erklärt Fabian Luccarini, Geschäftsführer der Luterbach AG aus Hildisrieden in der Schweiz, der diese Methode seit einigen Jahren für die Anlagenplanung seiner Kunden nutzt. Die Methode gibt an, wie Energieverbräuche mit möglichst wenig Wärmeenergie erreicht werden können, indem beispielsweise Wärmeaustauschernetzwerke zur Wärmerückgewinnung, Energieversorgung oder Prozessbedingungen aufeinander abgestimmt werden.
"Erfahrungsgemäß wird mit der optimalen Verknüpfung von Energieströmen im Gesamtprozess eine größere Effizienzsteigerung erreicht, als wenn man die Wirkungsgrade einzelner Komponenten verbessert", weiß Luccarini. "Deshalb steht bei der Pinch-Analyse nicht die Optimierung einzelner Apparate, sondern die Optimierung des Gesamtsystems im Fokus." Durch die Integration von Anlage, Halle und Peripherie soll eine größtmögliche Effizienz bei der Energienutzung erzielt werden.

Erst Ziele definieren, dann gezielt planen

Die grundlegende Philosophie der Pinch-Analyse lautet "Targets before Design". Das bedeutet, dass im allerersten Schritt die Energie- und Kostenzielwerte bestimmt werden, die der Lackierbetrieb erreichen möchte. Dabei handelt es sich um Zielsetzungen in Bezug auf Energieeffizienz, Investitions- und Betriebskosten. Daraus können in einer strategischen Planung Maßnahmen zur Wärmerückgewinnung und für die verbesserte Energieversorgung abgeleitet werden. Erst danach entwirft Luterbach  das optimale Anlagendesign für seine Kunden. Im Rahmen der Analyse werden zunächst die thermischen Energieströme – also vor allem Energie zum Auf-heizen der Lackierkabine, Trockner & Co. – systematisch erfasst. Sie werden zu zwei charakteristischen Kurven, den so genannten "Composite Curves", zusammengefasst. Die kalte Verbundkurve (blau) spiegelt den Wärmebedarf, die heiße Verbundkurve (rot) das Wärmeangebot wider. Der Punkt, an dem sich die Kurven am engsten nähern, ist die so genannte Pinch-Temperatur. An diesem Punkt bestehen die meisten Beschränkungen in Bezug auf die Anlagenplanung. In dem man diesen Punkt aufspürt und um ihn herum z.B. ein Wärmetauschernetzwerk zu entwickeln beginnt, können die Energieziele durch den Temperaturtausch zwischen heißen und kalten Strömen erreicht werden.

Wärmeangebot vs. Wärmebedarf

"Pinch" ist das englische Wort für "einschnüren", was in diesem Fall durch die Composite Curves erfolgt: Dort, wo sich die Kurven überlappen, ist eine Wärmerückgewinnung möglich. "Durch horizontales Verschieben der kalten Verbundkurve ändern sich die minimale Temperaturdifferenz zwischen den Kurven sowie das Potenzial für die Wärmerückgewinnung und die externe Heiz- und Kühlleistung", erklärt der Luterbach-Geschäftsführer. "Bei der praktischen Arbeit findet man oft Wärmetauscher, die über den Pinch hinweg arbeiten, also Ströme mit einer Temperatur über und unter dem Pinch verbinden. Indem man Kombinationen dieser Ströme durch alternative Strompaarungen vermeidet, verbessert man die Erreichung der Energieziele." Beim sogenannten "Super-Targeting" werden in Abhängigkeit der minimalen Temperaturdifferenz die Investitions- und Energiekosten zu den jährlichen Gesamtkosten (Cost Curves) aufaddiert. Damit erhält man die optimale minimale Temperaturdifferenz Δ Tmin, opt., bei der die jährlichen Gesamtkosten für den Prozess minimal werden.

Simulation vereinfacht Inbetriebnahme

Der zweite Schritt der Optimierung betrifft die Simulation einer Lackieranlage. "Durch die Simulation kann bereits in der Planungsphase das Layout überprüft werden und ob die Materialflüsse funktionieren – und zwar nicht nur in der Anlage, sondern auch im An- und Ablieferbereich", erklärt Luccarini: "Zudem wird die Durchlaufzeit im Projekt kürzer, weil durch die Simulation eine kürzere Inbetriebnahme möglich ist." Das heißt, die Anlage kann schneller hochgefahren werden, weil z.T. bereits die Parameter definiert werden können. Dies gibt den Steuerungsfachleuten gute Ansätze, wie man die Anlage programmieren muss, bevor man überhaupt auf die Anlage geht. Auch Störungsszenarien können so simuliert werden.
Für den Betreiber bedeutet die Simulation schlussendlich weniger Betriebskosten, weil die Anlage nur so lange läuft, wie es dem Optimum entspricht. Wenn man eine Anlage so auslasten kann, dass sie so kurz wie nötig läuft, zieht das automatisch geringere Kosten nach sich. "Es ist ein großer Unterschied, ob eine Anlage 3000 oder nur 2500 Stunden pro Jahr laufen muss. Dies ist eine direkte Einsparung über alle Kostenträger hinweg!", verweist Luccarini. 

energieverbrauch
Energieeffizienz für Lackierbetriebe

In der Serie "Energieeffizienz für Lackierbetriebe" ist bereits der folgende Beitrag erschienen:

"Effizienz im Mittelstand", besser lackieren. Nr. 2/2013

Der vorliegende Beitrag ist in besser lackieren. Nr. 3/2013 erschienen.

e. Luterbach AG, CH-Hildisrieden, Fabian Luccarini, Tel. +41 41 46260-00, luccarini@luterbach-ag.ch, www.luterbach-ag.ch

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