Effizienzsteigerung einer Rückkühlanlage

Die Wieland-Werke AG am Standort Ulm ist auf die Herstellung von Halbfabrikaten aus Kupfer und Kupferlegierungen spezialisiert. Die Produktpalette umfasst u. a. Bänder, Bleche, Stangen, Rohre und Gleitlager, die in unterschiedlichen Branchen zum Einsatz kommen. Bei ihrer Herstellung werden Umform- und Wärmeprozesse eingesetzt. Um die nicht nutzbare Restwärme innerhalb dieser Prozesse abzutransportieren, nutzen die Wieland-Werke Rückkühlanlagen. Diese verfügen über zwei Kühlkreisläufe. Das Wasser des Primärkreislaufs kühlt den Prozess ab. Das nun warme Wasser des Primärkreislaufs überträgt mittels eines Wärmetauschers die aufgenommene Energie an das Kühlwasser des Sekundärkreislaufs. Die Rückkühlanlagen laufen ganzjährig auf Sommerbetrieb, damit sie an heißen Sommertagen die volle Kühlleistung erbringen können. Mit Hilfe eines Frequenzumrichters könnten einzelne Komponenten der Rückkühlanlagen auf die Wetterlage der jeweiligen Jahreszeit abgestimmt werden.

Ziel des Projekts war es, die Komponenten mit hohem Energieverbrauch der Rückkühlanlage zu regeln und einen Algorithmus zu finden, der es ermöglicht, das jahreszeitbedingte Potenzial voll auszuschöpfen.

Da der Massenstrom des Kühlwassers im Sekundärkreislauf bisher nicht geregelt war, lief die Pumpe ganzjährig auf Volllast. Die Vorlauftemperatur des Kühlwassers wurde lediglich über die Anzahl der im Betrieb befindlichen Ventilatoren geregelt. Daher war die mechanische Förderleistung der Pumpe immer maximal, während die mechanische Förderleistung, die die Ventilatoren zu erbringen hatten, meist gering war. Aufgrund dieser Erkenntnis kam das Projektteam auf die Idee, die Pumpe frequenzgesteuert zu regeln und ein Optimum für jede Kühlgrenztemperatur zu ermitteln, bei dem die Summe der beiden mechanischen Förderleitungen ein Minimum erreicht. Dadurch verringert sich in besonderem Maße der Massenstrom des Kühlwasserkreislaufs. Eine Reduzierung des Massenstroms ist besonders effizient, da der Leistungsbedarf von Komponenten dieser Art bei inkompressiblen Medien in der dritten Potenz zum Massenstrom steht. So erfordert eine Verdoppelung des Massenstroms die achtfache Leistung, während ein halbierter Massenstrom den Leistungsbedarf auf ein Achtel reduziert.

An der Optimierung der Rückkühlanlage waren Elektrotechnikingenieure der Wieland-Werke AG und Energieeffizienzexperten der Wieland Anlagentechnik GmbH beteiligt. Um die Optimierung durchführen zu können, musste zunächst eine Datenbasis aus Messdaten geschaffen werden. Dabei wurde die Kühlgrenztemperatur im Jahresverlauf ermittelt und eine Wärmestrommessung über einen repräsentativen Zeitraum durchgeführt, die den tatsächlichen, wetterbedingten Kühlbedarf der Anlage zeigt.

Diese Daten wurden in einer Häufigkeitsmatrix zusammengeführt. Diese dient als Berechnungsgrundlage der nötigen Massenströme bei den verschiedenen Betriebszuständen. Mit der Möglichkeit, die Pumpen frequenzgesteuert zu betreiben, wurden alle Komponenten optimal aufeinander abgestimmt. Die optimale Vorlauftemperatur, bei der die mechanische Förderleistung am geringsten ist, wird für jeden möglichen Betriebszustand berechnet und in eine Look-Up-Tabelle überführt. Die resultierenden Massenströme können nun dem Diagramm „Benötigter Massenstrom“ entnommen werden. Vor der Optimierung war der Massenstrom fest eingestellt und stets am obersten Punkt des Diagramms zu finden. Nach der Optimierung stellt sich der Massenstrom je nach Wärmestrom und Kühlgrenztemperatur in dem dargestellten Bereich des Diagramms ein.

Durch die Bedarfsanpassung des Massenstroms im Sekundärkreislauf wird die mechanische Förderleistung im Jahr um durchschnittlich 45 kW sinken. Dies ist das Ergebnis einer Simulink-Simulation. Bei 5.500 Betriebsstunden pro Jahr werden somit 247,5 MWh Strom eingespart, dies entspricht einer Reduktion um rund 62 %. Umweltseitig wird so eine jährliche CO2-Entlastung von 188 t erreicht.

Messdaten für sein Unternehmen effizient zu nutzen, spielt in der heutigen Zeit eine zentrale Rolle. Diese Optimierung zeigt, wie simple Messdaten, die in jedem Unternehmen erhoben werden, genutzt werden können, um einerseits Kosten zu sparen und andererseits die Umwelt zu entlasten. Dieses Vorgehen wurde vom Projektteam verallgemeinert und in ein Berechnungswerkzeug für Rückkühlanlagen überführt. Damit können Optimierungen an Rückkühlanlagen in Zukunft nach einem vorgegebenen Schema durchgeführt werden. Das generierte Wissen wird an weiteren Wieland-Standorten eingesetzt und steht auch externen Interessenten über die Energieeffizienzanwendung EFFICEUS zur Verfügung.

Im Jahr 1820 übernahm Philipp Jakob Wieland die Kunst- und Glockengießerei seines Onkels in der Rosengasse und begann mit der Herstellung von Gebrauchsgegenständen aus Kupferlegierungen. Seitdem hat sich das Unternehmen kontinuierlich weiterentwickelt und steht heute dank zahlreicher Innovationen an der Spitze eines ganzen Industriezweigs.

Die Wieland-Gruppe beschäftigt heute weltweit rund 6.800 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter, davon 4.400 in Deutschland. Die inländischen Werke (Wieland-Werke AG) befinden sich in Ulm, Velbert-Langenberg, Villingen-Schwenningen und Vöhringen/Iller.

Die Wieland Anlagentechnik GmbH ist eine Tochtergesellschaft der Wieland-Werke AG und ebenfalls im Ulmer Raum angesiedelt. Kernkompetenz der Tochtergesellschaft ist der Sondermaschinenbau, als zweites Standbein dient das Geschäftsfeld Maschinendiagnose, Energieeffizienz und Anlagenoptimierung. Diesem ist die Energieeffizienzsoftware EFFICEUS zuzuordnen. Die Wieland Anlagentechnik GmbH beschäftigt derzeit 48 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter und generierte im vergangenen Geschäftsjahr einen Umsatz von rund 10 Mio. Euro.