Energieersparnis durch Abgaswärmenutzung

Industriebetriebe, in deren Produktionsprozess viel Abwärme anfällt, bieten ein großes Energieeinsparpotenzial. Die Wärme, die häufig ungenutzt mit den Abgasen oder der Abluft entweicht, lässt sich energetisch verwerten. Möglich ist dies mit Abgaswärmeausaustauschern. Die Bulten GmbH aus Bergkamen nutzt diese Technologie, um die gewonnene Wärme erneut dem Produktionsprozess zuzuführen. Die EnergieAgentur.NRW kürte das Konzept zum Projekt des Monats Januar 2017.


Die Abgaswärmeaustauscher wurden auf den Härteöfen montiert und in die Abgasstrecke eingebunden.

Die Abgaswärmeaustauscher wurden auf den Härteöfen montiert und in die Abgasstrecke eingebunden.

Die Bulten GmbH produziert und vertreibt Verbindungselemente für die Automobilindustrie. Im Jahr 1970 wurde die Produktionsstätte in Bergkamen Rünthe – ursprünglich unter dem Namen KHS – gegründet. Nach einem nahezu kompletten Verlust der Gebäudesubstanz durch einen Brand im Jahr 1992 sowie einer darauf folgenden wirtschaftlich schwierigen Phase übernahm der schwedische Schraubenproduzent Bulten das Unternehmen. Die nach dem Brand neu aufgebauten Produktionsstraßen zählen bis heute zu den modernsten Anlagen ihrer Art in Europa. Hier entstehen Kaltumformteile sowie spezielle Schrauben und Verbindungselemente, die bei verschiedenen Automobilherstellern zum Einsatz kommen. Nach dem Kaltumformprozess werden die Schrauben in speziellen Waschanlagen von Ölen und Phosphat befreit, bevor in einer Vergütungsanlage die Wärmebehandlung zur Erlangung verschiedener Härtegrade erfolgt. Dieser Prozess findet bei hohen Temperaturen statt und ist daher sehr energieintensiv. An dieser Stelle setzt das Konzept zur Energierückgewinnung mittels Abgaswärmeausaustauscher (AWT) an.

Bessere Energieausbeute durch Abgaswärmeaustauscher

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Die Härteöfen erzeugen hohe Temperaturen und bieten damit ein großes Wärmerückgewinnungspotenzial.

Ausschlaggebend für das Projekt war der Austausch zweier Waschanlagen in der Vergüterei. Ziel war es, die hohe Abwärmeleistung der Härteöfen für die Warmwasserversorgung der Waschmaschinen nutzbar zu machen. Eingesetzt wurden dafür zwei AWT des Unternehmens Schräder Abgastechnologie aus Kamen, deren Austauscher häufig im industriellen Bereich zum Einsatz kommen. Als Generalunternehmer konzipierte es in enger Zusammenarbeit mit dem Waschanlagenhersteller Ilvet aus Triuggiol / Italien und Bulten die neuen Anlagen. Die gesamte Konstruktion, die die Abgaswärmeaustauscher, die Heizungs- und Steuerungstechnik sowie die Wärmeübergabe an die Waschmaschinen mittels Rohrbündelwärmeaustauscher umfasst, wurde somit aus einer Hand erstellt.
Die AWT wurden auf den Härteöfen installiert. Beide Öfen werden mit je 15 Gasbrennern mit jeweils 31 kW Nennheizleistung befeuert. Dabei entstehen Abgastemperaturen von etwa 300 °C. Die Gase durchströmen die Wärmeaustauscher und geben dabei einen Großteil ihrer Wärme an einen Wasserkreislauf ab.

Beim Verlassen der AWT beträgt die Abgastemperatur noch rund 100 °C. Die maximale Wärmerückgewinnung liegt pro Austauscher bei etwa 50 kW. Da nicht alle Brenner in Volllast laufen, wird permanent moduliert. Die Brenner der Zone 1 arbeiten nahe ihrer maximalen Leistung, Zone 2 und 3 nur beim Aufheizen auf Volllast. Die installierte Brennerleistung liegt bei 465 kW und der Wirkungsgrad bei maximal 80 %. Der Abgasverlust von etwa 20 % wird bestmöglich, in diesem Fall zu rund 80 %, zurückgewonnen. Die letzten 20 % gehen verloren, da die Abgaswärmeaustauscher nur bis 100 °C herunterkühlen können und nicht bis auf 0 °C, da Bulten bis zu 95 °C warmes Wassers für die Beheizung der Waschmaschinen benötigt. Insgesamt werden so rund 1 000 MWh/a an Energie zurückgewonnen.
Mit dem Heißwasser wird ein 10 000 l fassender Pufferspeicher beladen. Dieser versorgt die zwei neuen Waschmaschinen über Verteiler und je einen Rohrbündelwärmeaustauscher mit Warmwasser. Die Maschinen benötigen dadurch nur noch wenig Primärwärme, die mittels Gasbrenner in der Entphosphatierung eingesetzt werden. Die Energieeinsparung liegt bei nahezu 100 %.
Die gesamte Anlage wurde redundant geplant, daher sind nach der Umsetzung der Baumaßnahme zwei Abgänge für das Rauchgas vorhanden. Es wurde für beide Öfen je eine neue doppelwandige Abgasleitung aus Edelstahl installiert, die senkrecht über das Dach geführt wird. In beide wurde ein Bypass verbaut, der das Abgas mit Hilfe eines Stellmotors, der die Klappen öffnet oder schließt, in Richtung Wärmeaustauscher leitet. Sie sollen sowohl im Teillast- als auch im Vollastbetrieb für eine störungsfreie Funktion sorgen. Die Rauchgase gelangen dann in die senkrechte Abgasstrecke, die die Systemkomponenten miteinander verbinden. Die Steuerung erfolgt über ein Touch-Screen-Display, auf dem sich die aktuellen Betriebszustände ablesen lassen.

Abgaswärmeaustauscher für hohe Abgastemperaturen

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Die Steuerung der Wärmeaustauscher erfolgt über ein Touch-Screen-Display.

Die AWT sind speziell zur Rückgewinnung von Wärme aus hohen Abgastemperaturen konzipiert. Auf diese Weise lässt sich der Wirkungsgrad des Wärmeerzeugers deutlich erhöhen. Abgedeckt werden Feuerungsleistungen von 15 bis 2 000 kW. Dabei können nahezu alle Brennstoffarten toleriert werden.
Im Idealfall werden die Austauscher direkt hinter den Feuerstätten nach den Feuerungsstutzen installiert, hier direkt oberhalb der Öfen. Optional lassen sie sich auch in der weiteren Abgasstrecke einbauen. Im wasserführenden Wärmeaustauscher gewährleisten lasergeschweißte Rippenrohre einen hohen Wirkungsgrad. Motorisch gesteuerte Bypassklappen sorgen sowohl im Dauer- als auch im Volllastbetrieb für eine störungsfreie Funktion.

Hohe Einsparungen bei Kohlendioxid und Strom

Durch die neue Anlagenführung wird die Umwelt in Zukunft entlastet. Neben dem eingesparten Gas wird der Kohlendioxidausstoß um rund 214 t/a reduziert. Auch der Stromverbrauch wurde verringert, die Anlage verursacht pro Jahr 49 t CO2-Ausstoß weniger.
Bei Energieeinsparungen von etwa 1 000 MWh/a und einem Preis von 0,038 €/kWh ergibt sich im Jahr eine eingesparte Summe von rund 38 000 €. Im Bereich des Stroms liegt die Einsparung bei etwa 12 000 € pro Jahr.
Die Investitionskosten von 170 000 €, abzüglich einer Förderung von 45 000 €, amortisieren sich somit bereits nach zweieinhalb Jahren. Für dieses Konzept zeichnete der Kreis Unna die Bulten GmbH im Sommer 2016 mit der Klimaschutzflagge der Landesarbeitsgemeinschaft Agenda 21 NRW aus.

Fazit

Für gewerbliche Unternehmen, die Feuerstätten mit hohen Abgastemperaturen betreiben, kann sich der Einbau eines Abgaswärmeaustauschers lohnen. Bei stetig weiter steigenden Energiepreisen amortisiert sich eine solche Anlage bereits nach wenigen Jahren. Darüber hinaus wird mit der CO2-Einsparung auch die Umwelt entlastet und der CO2-Fußabdruck des Unternehmens und dessen Produkten verbessert.