„Hummel“ kühlt im Produktionsprozess

Die Firma Bänninger Kunststoffe GmbH im hessischen Reiskirchen ist Produzent von Kunststoff-Fittings und Rohren (Bild 1) und gilt seit Jahrzehnten als qualitätsbewusster Hersteller mit hohem Sicherheitsstandard. Produktionsprozesse, wie das bei Bänninger eingesetzte Spritzgießverfahren für Kunststofferzeugnisse, erfolgen häufig unter energieintensiver Erwärmung sowie nachgeschalteter Abkühlung der Produktionsgüter und ständiger Kühlung von Fertigungsmaschinen. Der Kühlung kommt eine besondere Bedeutung für eine konstante Produktion und die Produktqualität zu, verursacht aber gleichzeitig hohen Kostenaufwand. Im Werk übernimmt diese Aufgabe nun eine neue Absorptionskälteanlage (AKA) von W. Bälz & Sohn („Baelz-absorpdynamic“). Die AKA vom Typ „Hummel“ ist hier für die Grundlastversorgung zuständig und kann so umweltfreundlich und stromsparend die bisherige Kompressionsanlage in der Grundlast ersetzen. Die vorher im Werk vorhandene Kompressionskältemaschine ist als alleiniges Kühlgerät ineffektiv und in den Betriebskosten deutlich teurer.

Das Kühlen der Spritzgussmaschinen übernahm lange Zeit eine Kompressionskältemaschine über einen Kältespeicher, der von ihr aufgeladen wurde. Diese Art der Kühlung war durch den hohen Stromverbrauch kostenintensiv und wurde betrieben, obwohl bestehendes Potential an überschüssiger Wärme vor allem aus einer KWK-Anlage vorhanden ist. Darüber hinaus durfte das hier eingesetzte Kältemittel R22 nicht weiter verwendet werden. Nach dessen Ersatz durch ein neues umweltfreundliches Kältemittel konnte die Kompressionskältemaschine weiterhin betrieben werden. Sie wird jetzt allerdings nur noch zur Abdeckung von Spitzenlast eingesetzt.

Zur Abdeckung der Grundlast wurde eine neue umweltfreundliche und energiesparende Anlage zum Kühlen der Fertigungsmaschinen gesucht. Auf Grund des hohen thermischen Wirkungsgrads (COP), gerade auch im Teillastverhalten, entschied man sich für eine Baelz-Absorptionskälteanlage vom Typ „Hummel“ (Bild 2). Das Prinzip der Absorptionskälteanlage, die anstelle eines elektrischen Verdichters einen sogenannten thermischen Verdichter besitzt, entsprach in diesem Fall allen Anforderungen.

Abwärmenutzung eines BHKW

Die Absorptionskälteanlage wird in Verbindung mit einem Blockheizkraftwerk (Bild 3) betrieben, d.h. sie nutzt die im Sommer überschüssige Wärme zur Erzeugung von Kaltwasser mit einer Temperatur von 12 °C. Die Kälte wird in einem Kältespeicher als Puffer gespeichert. Die Anlage hat eine nominale Gesamtkälteleistung von knapp 170 kW. Als Rückkühler dient der „Hummel“, in diesem Fall ein bis 27 °C Außentemperatur trockenes Rückkühlwerk mit adiabater Vorkühlung (Bild 4), da es große Rückkühlleistungen bei geringem Platzbedarf und niedrigen Betriebskosten erreicht. Die „Hummel“ kühlt damit unter optimalen Voraussetzungen. In Übergangszeiten kann die AKA auch mehr als 170 kW Kälte bereitstellen, wenn ausreichend Wärme zur Verfügung steht.

Die Baelz-Absorptionskältemaschinen, die in Zusammenarbeit mit der TU Berlin entwickelt wurden, können bereits mit 55 °C heißem Wasser angetrieben werden und erreichen Kühltemperaturen bis zu 6 °C. Die Abwärme des BHKW ist das geeignete Medium, die Kältemaschine kostengünstig mit Antriebsenergie zu versorgen. Gleichzeitig steigt die Wirtschaftlichkeit des BHKW durch Verlängerung der Laufzeit und für das Unternehmen ergibt sich eine Erhöhung des Eigenstrom­anteils. Die „Hummel“ hat eine geringe elektrische Leistungsaufnahme von weniger als 0,5 kW. Der elektrische Verbrauch dieser Anlage erzeugt so gut wie keine Kosten für Strom. Die Amortisationsdauer gegenüber einer Versorgung mit Kompressionskälte macht die Anlage und diese Installation auch wirtschaftlich sehr interessant. Weitere Vorteile der AKAs von Baelz – „Biene“, „Hummel“ und neuerdings „Hornisse“ – sind die geringe bauliche Größe und das geringe Gewicht dank kompakter, leichter Bauweise der Anlagen. Sie gehören zu den kleinsten und leichtesten AKAs, die derzeit auf dem Markt sind. Das geringe Gewicht rührt unter anderem daher, dass durch optimierte Bauteile, beispielsweise Rohrbündelwärmetauscher etc. mit sehr wenig Kälte- und Lösungsmittel gearbeitet werden kann. Das führt auch zu einer für Absorptionskältemaschinen extrem schnellen Reaktionszeit. In weniger als 10 Minuten kommen sie von 25 % bis auf 100 % Last.

Ihre hervorragende Türgängigkeit ermöglichen „Biene“ und „Hummel“ auch den nachträglichen Einbau in bereits bestehende Gebäude. Dies ist ein weiterer Vorteil, der auch bei Bänninger zum Tragen kam, ebenso wie die umweltfreundliche Art der Kühlung mit dem Kältemittel Wasser und dem Absorptionsmittel Lithiumbromid. Eine Umweltunverträglichkeit wie bei synthetischen Kältemitteln ist nicht zu befürchten.

Erfahrungen aus dem Betrieb

Seit Januar 2016 ist die „Hummel“ bei Bänninger inzwischen in Betrieb (Bild 5). Die Kombination aus BHKW und AKA erzielt einerseits eine hohe Kostenersparnis im laufenden Betrieb und stellt andererseits eine umweltfreundliche Technologie dar, die von der BAFA (Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle) gefördert wird. Die Baelz-Anlage läuft seit der Inbetriebnahme völlig problemlos und störungsfrei. Die Auswertung des Anlagenbetriebs per Fernwartung durch die TU Berlin von 2016 (Bild 6) verdeutlicht das außerordentlich gute Ergebnis des Betriebsverhaltens.

Innerhalb des Betrachtungszeitraums (8184 h) befand sich die AKA für 8070 h in Betriebsbereitschaft, was einem Betriebsbereitschaftsgrad von 98,8 % entspricht. Die Kälteanforderung durch die GLT lag über eine Gesamtdauer von 4589 h vor und wurde zu 99,2 % durch die AKA abgedeckt. Der überwiegende Teil der Stillstandzeiten war systembedingt. Für die Kälteerzeugung von insgesamt 474 MWh wurden 684 MWh Antriebswärme aufgewendet, die thermische Effizienz (COP) für den gesamten Zeitraum liegt entsprechend bei 0,69 (Tab. 1). Rechnet man aus diesem Wert die Probebetriebsphase des Systems raus, so ergibt sich für den Zeitraum ab Mai bis Dezember 2016 eine Effizienz von 0,76, wobei die Effizienz zum Jahresende durch den vermehrten Teillastbetrieb leicht abnimmt (Bild 6). Im Jahresdurchschnitt betrug die Kälteleistung 104 kW, der höchste Stundenmittelwert lag bei 165 kW.

Fazit

Die Absorptionskältemaschine „Hummel“ stellt im Produktionsprozess von Bänninger eine stromsparende, umweltfreundliche und zuverlässige Lösung für die Kühlung der Spritzguss-Anlagen und die Produkte dar. Mit der Verwendung der im laufenden Betrieb des BHKWs entstehenden Wärme als Antriebsmittel arbeitet die AKA effektiv und kostengünstig.

Literatur

KKA Kälte Klima Aktuell, Energiesparende Kühlung mit Wärme 4/2015
Die Kälte und Klimatechnik, Von Bienen, Hummeln und Hornissen, 2/2015
CAV, Mit Wärme kühlen, 6/2015
BINE Projekt Info 07/2012, Mit Wärme kühlen (Dr. Franz Meyer)