Hohe Leistung – neues Kältemittel – effiziente Kälteerzeugung

R513A-Einsatz bei einem Hersteller von Kunststoffverpackungen

Nachhaltiges Produzieren gehört zu den Leitlinien der Spies Kunststoffe GmbH. Das Unternehmen produziert innovative Kunststoffverpackungen für Lebensmittel und hat kürzlich im Werk 3 eine neue Kälteanlage für die Werkzeug- und Hydraulikkühlung in Betrieb genommen, die bis zu 32 Produktionslinien versorgen wird. Zum Einsatz kam eine außerordentlich energieeffiziente (Groß-)Kälteanlage mit dem „Low GWP-Kältemittel“ R513A.

In der Lebensmittelindustrie haben Verpackungen nicht nur den Zweck Produkte zu schützen und transportfähig zu machen. Ebenso wichtig ist ihre Funktion, auf das Produkt und die Marke aufmerksam zu machen. Häufig bieten sie auch Zusatznutzen, die z.B. die Dosierfähigkeit oder die Haltbarkeit verbessern.

Weil die Verpackungen in Millionenstückzahl hergestellt werden, spielen stets die möglichst günstigen Kosten eine wichtige Rolle. Und das (geringe) Gewicht ist ebenfalls ein Entwicklungsziel, weil es z.B. Werkstoff- und Transportkosten senkt.

Anspruchsvolle Spritzgießverfahren für innovative Verpackungen

Die Gestaltung und Produktion solcher Verpackungen ist deshalb ein komplexer Prozess, den die Spies Kunststoffe GmbH mit Hauptsitz in Melle/ Westfalen perfekt beherrscht. Denn das vor mehr als 50 Jahren gegründete und familiengeführte Unternehmen ist führender Hersteller von spritzgegossenen Kunststoffverpackungen und betreibt an drei Standorten mehr als 100 automatisierte Spritzgießanlagen.

Mehr als 1,5 Mrd. Verpackungen zum Beispiel für Eis, Joghurt, Margarine, Frischkäse und Fertigsalate verlassen jedes Jahr die Produktion. Dabei kommen anspruchsvolle Verfahren zum Einsatz, insbesondere das In-Mould-Labeling (IML), bei dem vorbedruckte Etiketten in das Spritzgusswerkzeug eingelegt werden und sich direkt – ohne zusätzliche Klebeschicht – mit der Kunststoffschmelze verbinden.

Das sorgt für Premiumoptik und zugleich für einfaches Recycling. Bei diesem Verfahren behauptet Spies die Innovationsführerschaft.

Verantwortung für die Umwelt wird ernst genommen

Im Leitbild des Unternehmens ist neben dem Streben nach höchster Qualität und dem Willen, stets innovative Lösungen umzusetzen, auch der Umweltschutz verankert. Christof Spies, geschäftsführender Gesellschafter in zweiter Generation: „Als mittelständisches Familienunternehmen nehmen wir unsere Verantwortung sehr ernst. Unser Engagement gilt den Menschen, der Umwelt und der Region.“ Deshalb betreibt Spies zum Beispiel einen kontinuierlichen Verbesserungsprozess zur optimalen Nutzung von Energie und Ressourcen – und setzt auf nachhaltige Lösungen, wenn es um die Investition in neue Maschinen und Anlagen geht.

In zwei Schritten zur Großkälteanlage

Eine solche Investition stand 2018 mit der Anschaffung einer leistungsfähigeren Kälteanlage für die erweiterte Produktion im Stammhaus Melle an. Gewünscht war – im ersten Schritt – eine Anlage, die insgesamt 600 kW Kühlleistung für die Werkzeugkühlung bereitstellt und 940 kW für die Hy­draulikkühlung.

Nach der gemeinsamen Projektierungsarbeit mit Spies baute und installierte die Firma L&R (www.l-r.kaelte.de) eine Kälteanlage zur Versorgung der Werkzeugkreisläufe mit einer Kühlleistung von 600 kW, die in zwei Kältekreisläufen (mit jeweils 2 x 300 kW) montiert wurde. Die Wassertemperatur im Vorlauf beträgt 14 °C, im Rücklauf sind es 16 °C. Für die Hydraulikkühlung wurde eine Anlage mit zwei Freikühlern von je 470 kW installiert, die 30 °C Kühlwasser bereitstellt. Im Winter wird einer der beiden Freikühler für die Winterentlastung der Kältemaschine genutzt.

Eine zweite Tandem-Anlage mit weiteren 2 x 300 kW für die Werkzeugkühlung befindet sich zurzeit bei L&R in Bau. Sie wird im Mai 2019 installiert.

Energieeffiziente Kältetechnik

Bei Spies kommen L&R-Anlagen der Serie „ECOPRO 2.0“ zum Einsatz, deren Effizienz – im Vergleich zu konventionellen Kälteanlagen – durch diverse Konstruktionsmerkmale erheblich gesteigert wurde. Dazu ge­hört z.B. die gleitende Kondensationsregelung „VariKON“. Sie passt die Kondensati­onstemperatur an die aktuelle Außentemperatur an und führt damit zu beträchtli­chen Energieeinsparungen.

Mit der „PumpDrive“-Serie von KSB kommt eine besonders energiesparende Pumpen­technologie zum Einsatz. Die drehzahlgeregelten „SuPremE“-Antriebe der Pumpen senken den Energiebedarf. Auch die Antriebe der EC-Ventilatoren sind drehzahlgeregelt. Die zentrale Siemens-SPS mit farbigem 19“-Touchpanel visualisiert den kompletten Kühlprozess und ermöglicht die energieeffiziente Regelung der wesentlichen Verbraucher entsprechend dem aktuellen Kältebedarf.

Winterentlastung und Wärmerückgewinnung

Einer der beiden Freikühler mit einer Leistung von 470 kW schafft die Voraussetzung dafür, dass die Anlagen bei Temperaturen unterhalb von ca. 10 °C die benötigte Kälteleistung vollständig aus der Umgebung beziehen können. Das senkt den Energiebedarf in den Wintermonaten beträchtlich. Eine integrierte Wärmerückgewinnung (Heizleistung 350 kW) trägt ebenfalls zur Energieeinsparung bei.

Zeitgleich mit der dritten und vierten 300 kW-Anlage für die Werkzeugkühlung werden dann drei weitere Freikühler mit einer Leistung von jeweils 470 kW installiert, so dass die Gesamtkühlleistung der Hydraulikkühlung bei 2,35 MW liegen wird. Im Winter werden entsprechende Freikühler zur Winterentlastung der Kältemaschinen umgeschaltet.

Umgeplant: HFO-Blend statt konventionelles Kältemittel

Kurz nach dem Start der Planungsphase trafen Spies und L&R gemeinsam eine grundsätzliche Entscheidung. Anstatt, wie ursprünglich geplant, mit dem Fluorkohlenwasserstoff (FKW) R134a ein jahrzehntelang bewährtes und erprobtes Kältemittel zu verwenden, sollte in den Kälteanlagen mit R513A ein neues HFO-Blend zum Einsatz kommen.

Grund für diese Entscheidung ist die F-Gas-Verordnung der EU (EU 517/2014). Sie regelt den schrittweisen „Phase-down“ der bisher gebräuchlichen Kältemittel wie eben R134a. Ziel ist es, mittelfristig die Umweltbelastung durch Kältemittel mit höherem Erderwärmungspotenzial (das im GWP-Wert erfasst wird) zu reduzieren.

Gute Mischung – für die Kälteerzeugung und den Umweltschutz

Diese Verordnung sorgte anfangs für Verunsicherung bei den Anwendern von Kälteanlagen, weil keine eindeutige Alternative zu den bislang gebräuchlichen Kältemitteln erkennbar war. Rasch stellte sich jedoch heraus, dass sich die Nutzung der relativ neuen HFO-Blends als gängiger Lösungspfad durchsetzen wird.

Bei diesen Blends handelt es sich um eine Mischung aus konventionellen Kältemitteln mit den neu entwickelten „Low GWP-Kältemittel“ auf HFO (Hydrofluorolefin)-Basis. Diese neuen Kältemedien – zum Beispiel R1234yf und R1234ze – haben einen sehr geringen GWP-Wert von 4 bzw. 7 und sind (kälte-) technisch den bisher verwendeten Kältemitteln ebenbürtig. Allerdings sind diese Kältemittel nach EN 378 in der Sicherheitsklassifizierung als A2L (schwer entzündbar) gelistet.

Effiziente Kältetechnik unter den Vorgaben der F-Gas-Verordnung

Unter diesen Vorzeichen hat sich L&R entschieden, R513A ins Portfolio aufzunehmen und die Kältemaschinen der „ECOPRO 2.0“-Serie optional damit auszurüsten. Dieses Kältemittel R513A zeichnet sich durch die Sicherheitsklassifizierung A1 sowie einen niedrigen GWP-Wert (GWP = Global Warming Potential) von 631 aus. R513A ist nicht brennbar und besteht zu 44 % aus R134a (GWP: 1430) sowie zu 56 % aus R1234yf (GWP: 4). Es kann als Alternative zu R134a eingesetzt werden und benutzt dieselben Verdichtertypen.

Fazit: Nachhaltige Kältetechnik im XXL-Format

Die Summe dieser Maßnahmen und die Verwendung von R513A führt dazu, dass Spies die für den Spritzgießprozess benötigte Kälte sehr umweltschonend erzeugt. Das ist auch deshalb ein wichtiger Faktor, weil die Kunden preissensibel sind und große Mengen von exakt temperiertem Kühlmedium benötigt werden, wie die Gesamtleistung der Anlagen nach der zweiten Ausbaustufe zeigt: 1,2 MW für die Werkzeugkühlung, 2,35 MW für die Hydraulikkühlung und für die Freikühler zur Winterentlastung. Das entspricht 50 % der Kühlleistung des geplanten Gesamt-Endausbaus.

Mindestens ebenso wichtig ist aber die präzise Regelung des Temperierprozesses: Die genaue und stets bedarfsgerechte Temperaturführung im Werkzeug gehört zu den wesentlichen Voraussetzungen für die Produktion hochwertiger Lebensmittelverpackungen in konstant hoher Qualität. Zugleich reduziert die Kühlung auch die Verweildauer der Spritzgussprodukte im Werkzeug und ermöglicht somit kurze Taktzeiten. Das wiederum erhöht die Produktivität des Maschinenparks bei Spies.

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