PuK - Prozesstechnik & Komponenten 2024

Leitartikel Effizienz

Leitartikel Effizienz und Qualität Prof. Dr.-Ing. Eberhard Schlücker In der Zukunft wird Strom unsere bevorzugte Energieform sein, da er fossile Energieträger in E-Autos, Häusern und Chemiefirmen direkt oder indirekt ersetzt. Die Wundermittel für den indirekten Ersatz sind Wasserstoff und CO 2 . Wasserstoff ermög licht alles und wird mit Hilfe von Strom hergestellt, während CO 2 zwar unserem Klima schadet, aber zukünftig ein wichtiger Rohstoff ist. Das bedeutet jedoch, dass wir 5- bis 8-mal mehr Strom oder 10- bis 16-mal mehr Wind- und Sonnenstrom als heute benötigen. Dies ist nur möglich, wenn Photovoltaikund Windkraftanlagen viel effizienter werden, da unsere Fläche sonst nicht aus reicht und es oft auch Widerstand aus der Bevölkerung gibt. Daher müssen wir Energie importieren. Ammoniak ist zweifellos die beste Wahl, da es einen hohen Wasserstoffgehalt hat (110 Kg/m 3 ) und für den Transport nur einen Überdruck von ca. 10 bar benötigt. Die Technologie zur Rückgewinnung des Wasserstoffs ist verfügbar und relativ effizient. Australien verspricht 1,5 $, momentan sind es 2 $ pro Kilogramm Wasserstoff, vermutlich eingespeichert in Ammoniak. Allerdings wird er bei uns nicht so preiswert ankommen. Die Gründe sind Investitionen für die Herstellung in der Ferne, Bau von Transportschiffen, Transport, die Annahmesysteme in Häfen und die noch auszubauenden Verteilungsstrukturen in Europa. Ammoniak ist giftig, weshalb nicht damit gerechnet werden kann, dass es durch Pipelines gepumpt oder in kommunalen Strukturen eingesetzt werden wird. Daher werden die Gasversorgungsnetze in Deutschland auf Wasserstoff umgebaut. Derzeit kostet Wasserstoff in Deutschland 4,55 €/Kg. Das Wuppertal-Institut hat veröffentlicht, dass Wasserstoff in Deutschland preiswerter hergestellt werden kann als der importierte in Ammoniak. Dies gilt besonders, wenn der Strom dafür über Photovoltaik selbst erzeugt wird (aktuell ca. 8,5 Cent/KWh, dann 2,83 €/Kg). Daher sollten wir in Europa so viel Wasserstoff wie möglich und vernünftig ist, herstellen. Damit dürfte unsere Energieversorgung, zusammen mit dem Import, sicherzustellen sein. Der Weg dorthin ist jedoch noch weit und bis dahin werden wir möglicherweise manchmal Strommangel haben. Aufgrund politischer Veränderungen besteht zumindest ein gewisser Zweifel, ob wir den Energieimport immer problemlos bekommen werden. Daher sollten wir diese Bedrohung als Chance nutzen und Produkte entwickeln, die besser sind als alles Vergleichbare auf der Welt. Die Schlüssel dafür sind Effizienz in allen Facetten und Haltbarkeit. Wir sollten Maschinen und Apparate bauen, die in Wirkungsgrad und Lebensdauer alle anderen übertreffen. Richten wir den Fokus auf die Prozesstechnik, so liegt es nahe, über Wärme, Maschinen (Pumpen, Kompressoren, usw.), Anlagen, Strom, Materialien und den Overhead effizienztechnisch in den Fokus zu nehmen. Wärmeenergie und Wärmeaggregate Wärme ist ein physikalischer Zustand, den wir technisch sowie privat benötigen. Leider kann Wärme nicht oder nur in mobilen und sehr gut isolierten Wärmespeichern (teuer) transportiert werden. Daher sollte Wärme dort verbraucht werden, wo sie entsteht, und man sollte unbedingt versuchen, sie dort auf hohem Energieniveau zu halten, wo sie genutzt wird. Dies bedeutet, dass Verluste durch Wärmeableitung durch gute Isolation minimiert oder bestmöglich genutzt werden sollten. Zudem können warme Ströme durch Kompres sion, Brüdenverdichtung oder Wärmepumpen ver edelt und so auf höhere Temperaturen gehoben werden. In der Prozesstechnik bedeutet dies die Nutzung von Wärmekaskaden oder Methoden zur Wärmeveredelung, wie: 1) Der kalte Wärmestrom kühlt den warmen Strom, der warme den heißen Strom usw.! Der heiße Strom kann entweder mit einer Carnotbatterie in elektrischen Strom zurückverwandelt oder die anfallende Restwärme zum Heizen verwendet und erneut der Veredelung zugeführt werden. 2) Steht ein warmer Wasserstrom zur Verfügung, den man nicht mehr nutzen kann, könnte dieser dem Nachbarn zum Heizen zur Verfügung gestellt oder so veredelt werden, dass ein Niveau erreicht wird, welches eine erneute Verwendung zulässt (z. B. von diesem Niveau wieder erhitzen oder bei Gasen oder Dampf, Brüdenverdichtung bzw. Kompression). 3) Wenn ein heißer Strom vorhanden ist und nicht mehr genutzt werden kann, sollte er in einem mobilen Wärmespeicher gespeichert oder über eine Carnot-Batterie in elektrischen Strom umgewandelt werden. 4) Bei Bedarf an Wärme und Kälte können mit einer Wärmepumpe sowohl Kälte als auch Wärme erzeugt werden, oder die Wärme kann zur Erzeugung von Kälte genutzt werden, wodurch ein wärmerer Strom entsteht. Pumpen und Kompressoren Die Auswahl einer Pumpe hängt vom Prozesstyp ab, mit dem ein bestimmtes Produkt hergestellt werden soll. Wenn kein Zwang aus dem Vorhaben besteht, wählt man eine Kreiselpumpe, da sie kostengünstig und robust ist. Allerdings hat sie bei kleinen Förderströmen oder großen Regelbereichen einen schlechten Wirkungsgrad. Daher stellt sich die Frage nach den Kosten. Die Kosten für eine 10 PROZESSTECHNIK & KOMPONENTEN 2024

Leitartikel Abb. 1: Kosten der Förderung pro Jahr (8800 Stunden) bei verschiedenen Pumpenwirkungsgraden, beispielhaft berechnet für Wasser mit 10 m 3 pro Stunde und 10 bar Druckerhöhung. lungsmaßnahmen erreicht werden. [Hieninger] Verdrängerpumpen haben im Durchschnitt bessere Wirkungsgrade bis zu mittleren Förderströmen. Darüber hinaus werden solche Maschinen kaum angeboten, obwohl sie deutlich bevorzugt werden sollten, wenn viskose Stoffe gefördert werden müssen, höhere Drücke überwunden werden sollen oder eine höhere Dosiergenauigkeit erforderlich Förderaufgabe mit 10 bar Druckerhöhung und 10 m 3 /h Förderstrom und einem Wirkungsgrad von 10 % betragen 19.352 €, wenn man einen Strompreis von 0,285 Cent/KWh annimmt (publizierter Industriepreis). Bei einem Wirkungsgrad von 80 % betragen die Kosten nur noch 2.418 €, also 88 % weniger. Wenn sie eine andere Förderaufgabe haben, dann können Sie die Kosten in der Tabelle rechts durch einfaches Multiplizieren ermitteln. Beispielweise erhöht sich die Druckdifferenz auf 20 bar, dann verdoppeln sich die Kosten. Das Gleiche gilt für den Förderstrom und die Stromkosten. Bitte denken Sie dabei auch daran, dass der Motor jeweils der Förderaufgabe angepasst werden muss. Ein Motor einer Pumpe mit 20 % Wirkungsgrad ist etwa viermal so groß wie der einer Pumpe mit 80 % Wirkungsgrad. Bessere Wirkungsgrade bei Kreiselpumpen können jedoch auch durch strategische Steuer- und Regeist. Die höchste Dosiergenauigkeit bei oft höchstem Wirkungsgrad erreichen oszillierende Pumpen mit bis zu +- 0,5 %. Leider haben oszillierende Pumpen in der Regel meist den größten Grundflächenbedarf und erzeugen auch die stärkste Pulsation. Meist sind Pulsationsdämpfer in der Lage, bis ca. 1–3 % Restpulsation zu dämpfen. Dies wird als ungefährlich eingestuft, stimmt aber sicher nicht, denn HOCHDRUCK-KOLBENPUMPEN FÜR DIE CHEMISCHE UND PETROCHEMISCHE INDUSTRIE - Ammoniakpumpen - CO 2-Pumpen - Einspritzpumpen für Lagerstättenwasser - Methanolpumpen - Waschwasserpumpen Druck: 50 – 4000 bar Fördermenge: 0,1 – 200 m³/h HAMPRO® HOCHDRUCKPUMPEN PROZESSTECHNIK Hammelmann GmbH +49 (0) 25 22 / 76 - 0 Carl-Zeiss-Straße 6-8 pp@hammelmann.de D-59302 Oelde www.hammelmann-process.com