"Ohne Messung keine Neuauslegung!" Gemäß unserem Ansatz wurden die bestehenden Anlagen vom Verbraucher bis zum Erzeuger über mehrere Wochen hinweg umfassend gemessen und analysiert.

An insgesamt acht dezentralen Kältemaschinen, die jeweils einen CNC-Bearbeitungsbereich mit neun CNC-Anlagen versorgten, wurden die Vor- und Rücklauftemperaturen, der Volumenstrom und die Stromaufnahme erfasst.

Die folgende Grafik zeigt beispielhaft Ergebnisse der Messungen, die im Hochsommer durchgeführt wurden.

Strom- und Kältemessung Sommer

Stromeinsparungen im
vgl. zur bisherigen Anlage

Die folgende Grafik zeigt die Zusammenfassung des tatsächlichen Kältebedarfs.

Dauerlinie Kühlwasser Mo-Fr

Wesentliche Eigenschaften der Anlage:

• Die Kompressoren regeln den Teillastbedarf optimal aus; daher kommen vorzugsweise Kolben- oder Schraubenverdichter mit stufenloser Drehzahlregelung und Ein-/Ausbetrieb zum Einsatz
• Anstatt einer Überdimensionierung müssen als Erweiterungsmöglichkeit entsprechende Anschlüsse vorgesehen werden
• Ausstattung mit Messtechnik sowie elektronischen Regelventilen und Einbindung in die Pumpensteuerung
• Die Kühlwasserpumpen/Ventilatoren von Kondensator und Freikühler sind mit Frequenzumrichter ausgestattet
• Kondensator und Freikühler sind außen, vor Produktionsabluft (Wärme, Verschmutzung) geschützt aufzustellen; ein geeigneter Standort wird bei einer Vorortbegehung vereinbart; Kühlwasserpufferspeicher

Das Effizienzpotenzial bei dieser Ausgangslage ist enorm.

Durch die integrierte Nutzung der freien Kühlung und den Aufbau einer zentralen Kälteversorgung konnten etwa 75 % der bisherigen Stromkosten eingespart werden.

Bei einer Investition von 380.000 € bedeutet dies einen Return on Investment von etwas über 2 Jahren.

In den nächsten 10 Jahren reduzieren sich die Betriebskosten des Unternehmens für diesen Produktionsbereich um 1,5 Mio. €.

Die Gebr. Schwarz GmbH betrieb einen Kaltwassersatz mit zwei Kolbenverdichtern zur Werkzeugkühlung. Dabei musste das gekühlte Wasser vom sonnigen Dach in den Keller gepumpt und von dort aus an die Spritzgussmaschinen verteilt werden. Die bestehende Kälteanlage war lediglich zweistufig regelbar, die Vorlauftemperatur des Kaltwasserkreises betrug 15°C. Zusätzlich verfügte das System über eine Wärmerückgewinnung für die Lüftungsanlage und Warmwasserbereitung. Die Idee war, die Abwärme der Kälteanlage zur Vorwärmung der Zuluft im Produktionsgebäude und für die Erwärmung des Brauchwassers zu nutzen.

Um die Effizienz der Kälteerzeugung zu bewerten, wurden wesentliche Energieverbräuche und Prozessparameter des bestehenden Systems über einen Zeitraum von fünf Tagen gemessen und analysiert. Dabei wurde deutlich, dass die ungeregelte Wärmerückgewinnungsanlage in der produktionsfreien Zeit Wärme in die Kältemaschine führte. Ein erhöhter Energieverbrauch war die Folge.

Die Analyse der Messergebnisse machte klar, dass die zukünftige Lösung eine Freikühlfunktion anstelle einer Wärmerückgewinnung enthalten sollte. Aufgrund der unternehmerischen Verantwortung für Mensch und Umwelt schied der Einsatz halogenhaltiger Kältemittel für die Gebr. Schwarz GmbH aus.

SEMPACT empfahl die Implementierung einer innovativen Technologie, die Wasser als Kältemittel nutzt. Die Vorteile gegenüber herkömmlichen Anlagen mit dem Kältemittel Propan (R290, GWP = 3, brennbar) liegen auf der Hand: Wasser ist nicht brennbar, ozonschonend und hat keinerlei Treibhauseffekt (GWP = 0).

Im Zuge der ganzheitlichen Neugestaltung der Kühlanlage wurde auch der Standort optimiert. Statt auf dem sonnigen Dach befindet sich die Kälteanlage nun im Keller, während die zugehörigen Rückkühler/Freikühler auf der schattigen Nordseite der Produktionshalle ebenerdig platziert sind.

Stromeinsparungen im
vgl. zur bisherigen Anlage

Unter Beachtung der Messergebnisse und der geforderten Ausfallsicherheit wurde die neue Anlage mit zwei Kältemaschinen à 120 kW aufgebaut, was einer Redundanz von 75 % entspricht. Dies stellt einen ausgewogenen Kompromiss zwischen Ausfallsicherheit und Energieeffizienz dar. Sowohl Rückkühler als auch Pumpen wurden redundant ausgelegt.

Die Nutzung der Rückkühler als Freikühler bzw. adiabate Rückkühler steigert die Effizienz des Gesamtsystems und führt zu Energieeinsparungen. Durch die Verlagerung der Kälteerzeugung in den Keller wird die durchschnittliche Umgebungstemperatur für den Rückkühler um mindestens 5 Kelvin reduziert. Pro 1 Kelvin Senkung der Kondensationstemperatur werden ca. 3 % elektrische Energie am Verdichter eingespart.

Die Anhebung der Solltemperatur des Kaltwasserkreises von 15°C auf 18°C ermöglicht eine längere Betriebszeit (jährlich +600h) der effizienten Freikühlung und spart pro 1 K Anhebung der Kaltwassertemperatur etwa 4 % Strom beim Verdichter. Diese Maßnahme resultiert in einer jährlichen Einsparung von ca. 20.000 kWh Stromverbrauch.

Insgesamt führen alle Optimierungen zu einer eindrucksvollen Stromeinsparung von mehr als 270.000 kWh/a bzw. 80 % im Vergleich zur bisherigen Anlage. Durch den Verzicht auf die Wärmerückgewinnung im neuen Kältekonzept ergibt sich trotz des erhöhten Heizölverbrauchs um ca. 40.000 kWh/a in der Gesamtbilanz eine jährliche Einsparung von gut 140 Tonnen CO2.

Die Kälteanlage der Gebr. Schwarz GmbH repräsentiert eine der ersten Anwendungen der neuen Serienmaschine eChiller mit 120 kW. Die Nutzung von Wasser als Kältemittel ist zwar noch nicht weit verbreitet, jedoch aufgrund ihrer Umwelt- und Klimaverträglichkeit von hoher Bedeutung. Wasser als Kältemittel zeichnet sich durch Effizienz, Klimafreundlichkeit und Wirtschaftlichkeit aus.

Adiabate Maschinen- und Werkzeugkühlung mit einem natürlichen Kältemittel kommt insbesondere in produzierenden Gewerben zum Einsatz, bei denen Prozesswärme entsteht, die abgeführt werden muss. Dies gilt nicht nur für die Kunststoffindustrie, sondern auch für andere Branchen wie z.B. die Metallverarbeitung. Darüber hinaus können diese Anlagen für die Kühlung von Serverräumen, Schaltschränken und die Gebäudeklimatisierung verwendet werden.

Ein integraler Bestandteil unseres systemischen Ansatzes ist die Lebenszyklusanalyse unserer geplanten Anlagen. Wir berücksichtigen nicht nur die Anschaffungskosten, sondern kalkulieren über die gesamte geplante Nutzungszeit der Anlage. Neben den direkten Energiekosten fließen auch weitere Betriebskosten wie Wartung, Wasserverbrauch und die zunehmenden CO2-Abgaben nach dem Brennstoff-Emissionshandelsgesetz (BEHG) in unsere Berechnungen ein.

Die Tabelle zeigt die wesentlichen Kenndaten des bestehenden Druckluftsystems, die auf einen Jahresverbrauch und entsprechende Kosten hochgerechnet wurden.

Die Analyse basiert auf vorhandenen Druckluftmessungen auf der Stromseite der Aggregate für einen durchschnittlichen Produktionstag.

Kenndaten des Druckluftsystems

Die stromseitige Messung beobachtete Sekundenwerte über mehrere Tage hinweg. Die folgende Grafik zeigt das aufgezeichnete Messprofil. 

Messprofil Strombedarf der Druckluftzentrale

Die kurzen Spitzen sind als Anlaufstrom der Last-Leerlaufregelung zu interpretieren. Es wird keine Druckluft erzeugt. Solche Messergebnisse resultieren häufig in Überdimensionierung, was zu Effizienzverlusten von bis zu 20 % führen kann. 

Durch den Einsatz eines geregelten Kompressors treten solche Spitzen nicht mehr auf. Für die Grundlast wird eine einstufige Maschine mit verbessertem Wirkungsgrad eingesetzt. Um Regellöcher zu vermeiden, kann diese auch kleiner dimensioniert sein. 

Die Ersparnisse durch die Neugestaltung der Anlage sind in der nachfolgenden Tabelle dargestellt.  

Die neue Druckluftzentrale ermöglicht eine jährliche Einsparung von etwa 10.000 €. Die Investition für die Gesamtanlage inklusive Wärmerückgewinnung und Messtechnik betrug rund 40.000 €, was einen beeindruckenden Return on Investment von etwa 4 Jahren ergibt. 

Da die Konrad Merkt GmbH & Co. KG im Rahmen einer systemischen Anlagenoptimierung von der BAFA weitere Effizienzmaßnahmen bezuschussen lässt, erhält das Unternehmen als KMU einen 30%igen Zuschuss auf die Investition.

Damit verbessert sich die statische Amortisationszeit sogar auf 2,7 Jahre.