Intelligente Wärmepumpen zur Luftreinhaltung und Ressourcenschonung

Die Albert Rechtenbacher GmbH mit Sitz in Bopfingen auf der Ostalb ist Experte für Oberflächentechnik, d. h. Oberflächenveredelung bzw. Oberflächenbehandlung. Das Leistungsspektrum reicht von der Klavierlackbeschichtung über Nanobeschichtung, Nasslackbeschichtungen für die Automobilindustrie, Softlackbeschichtungen, die in der Medizintechnik zum Einsatz kommen, bis hin zur Pulverbeschichtung für den Stahl- und Metallbau.

Nachdem das Unternehmen die Investition in eine automatische Kunststofflackierstraße beschlossen hatte, musste über die Art der Abluftreinigung entschieden werden. Um die gesetzlichen Bestimmungen einzuhalten und einen sauberen, umweltfreundlichen Betrieb zu gewährleisten, wurden die diversen Möglichkeiten der Nachbehandlung von lösemittelhaltiger Abluft untersucht.

Die branchenübliche Art und Weise der Abluftreinigung ist die thermische Nachverbrennung (TNV). Diese hat jedoch den Nachteil, dass eine große Menge an fossilen Brennstoffen verbraucht wird. Der Brennstoffverbrauch stellt auf der einen Seite einen Kostenfaktor dar, auf der anderen Seite verschlechtert sich die CO2-Bilanz. Da das Unternehmen umweltfreundlich und kostengünstig produzieren will, war es die Zielsetzung, eine möglichst energieeffiziente Abluftreinigung zu installieren. Die geplante Anlage sollte Energieeffizienz, Umweltfreundlichkeit und Betriebskosten in optimaler Weise vereinen.

Herkömmliche Kältemaschinen verbrauchen Strom und kühlen einen Raum auf die gewünschte Temperatur ab. Die durch das Verfahren entzogene Wärme wird üblicherweise an die Umgebungsluft abgegeben. Eine Wärmepumpe kann diese Abwärme jedoch verwenden und auf das gewünschte Temperaturniveau bringen. Voraussetzung für eine gute Gesamteffizienz ist es, einen Abnehmer für die Wärme zu haben. Bei der Albert Rechtenbacher GmbH gibt es eine Reinigungs-/ Entfettungsanlage zur Vorbereitung der zu lackierenden Teile, die zum Erhitzen der Reinigungsflüssigkeit Energie benötigt.

Besonders effizient wird die Wärmepumpentechnologie, wenn im laufenden Betrieb gleichzeitig Wärme und Kälte benötigt wird. Bei Wärmenutzung gilt ein Coefficient of Performance (COP), d.h. eine Leistungskennzahl, von 4 als technisch erreichbar. Bei gleichzeitiger Nutzung von Kälte steigt die Effizienz auf einen COP von 7 bis 10. Der COP bedeutet, dass bei einem Einsatz von 25 kW und einem COP von 4 ein Gewinn von 100 kW an Wärme oder Kälte herauskommt.

Es sollte ein umfassendes wärmepumpenbasiertes System eingerichtet werden, das die Abwärme zur Erwärmung des Reinigungswassers für die Waschanlage der zu lackierenden Teile und zur Erwärmung von Brauchwasser und die Gebäudeheizung nutzt. Für die Kondensation der lösemittelhaltigen Abluft sollte die kalte Seite der Wärmepumpe genutzt werden.

Ein Team aus mehreren Ingenieuren unter der Federführung der Firma SIMAKA aus Göttlishofen im Allgäu entwickelte eine Konzeption für das Wärmepumpensystem. Karsten Uitz, Dipl.-Ing. und Gründer von SIMAKA, entwickelt und baut Wärmepumpen für private und industrielle Anwendungen. Das entscheidende Know-how, vor allem im industriellen Anwendungsbereich der Wärmepumpentechnologie, liegt in der Steuerung. Die Steuerung inklusive des kompletten Schaltschranks wurde ebenfalls bei SIMAKA in Göttlishofen gebaut und programmiert.

Die Wärmepumpe wird so geregelt, dass sie verschiedene Temperaturniveaus in verschiedene Speicher ablegen kann. Dadurch wird gleichzeitig Wärme und Kälte produziert. Es können zeitversetzt auch unterschiedliche Temperaturniveaus in unterschiedlichen Speichern abgelegt werden. Die Kälte wird für die Auskondensation der Lösemittel verwendet, die bisher verbrannt wurden. Der doppelte Effekt liegt im höheren Wirkungsgrad der Wärmerückgewinnung (Energie) und in der Rückgewinnung des Lösemittels (Material).

Die Problematik der geringen Schadstoffkonzentration wurde durch Verdichtung gelöst. Die VOC-haltige Abluft läuft durch Aktivkohleschichten. Die Kohle wird bis zur Sättigungsgrenze beladen. Da die Luft kontinuierlich gereinigt wird, wurde dieser Prozess doppelt ausgelegt, so dass nach Sättigung des ersten Behälters, die Luft durch einen zweiten Aktivkohlebehälter geleitet wird. So wird in einem diskontinuierlichen Prozess über zwei Stränge eine kontinuierliche Abluftreinigung erreicht. Inzwischen wird mit Hilfe heißer Luft der erste Behälter entladen. Diese Luft mit hohem Gehalt an Lösemitteln wird nun stufenweise abgekühlt. Je nach den physikalischen Eigenschaften der eingesetzten Lösemittel werden Temperaturen von ca. -20 °C für die Kondensation eingesetzt.

Ab dem Sorptionsprozess teilt sich die Anlage in zwei Stränge. Die beiden Sorptionsbehälter befinden sich entweder im Zustand Beladung oder Entladung. Auch der Kondensationsprozess läuft alternierend diskontinuierlich, da ein Strang bis zur Vereisung gefahren wird, um danach auf den zweiten Strang zu wechseln.

Durch Gegenstromwärmetauscher wird die gekühlte Luft für die Vorkühlung der warmen Luft verwendet, so dass alle Prozesse energiesparend aufgebaut sind. Die überschüssige Wärme wird in Zwischenspeichern abgelegt. Von dort kann sie dann in der Reinigungsanlage eingesetzt werden. So wird die Prozesswärme zu ca. 95 % zurückgewonnen. Die komplette Gebäudeheizung wird ebenfalls durch die Abwärme bestritten.

Die Einsparungen gegenüber einer branchenüblichen TNV gestalten sich unter Annahme eines mittleren Auslastungsgrads folgendermaßen: Pro Jahr werden 1.100 MWh an Gas eingespart. Dies entspricht einer monetären Einsparung von 51.000 Euro. Umweltseitig werden CO2-Emissionen in Höhe von 209 t CO2 pro Jahr vermieden. Zusätzlich werden jährlich ca. 1 bis 2 t Lösemittel für Reinigungszwecke aus dem Kondensationsprozess zurückgewonnen, wodurch Ausgaben von ca. 6.000 Euro entfallen.

Das Risiko, in eine innovative, neue Methode zu investieren, hat sich für das Unternehmen gelohnt. Durch die enge Kommunikation mit allen Beteiligten konnten auch schwierige Hindernisse überwunden werden. Es ist immer wichtig, neue Wege zu prüfen und dann auch konsequent zu gehen.

Seit der Gründung Mitte der 1990er Jahre hat sich die Albert Rechtenbacher GmbH konsequent weiterentwickelt und beschäftigt heute 60 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter. Die Albert Rechtenbacher GmbH hat sich auf Oberflächen- und Beschichtungstechnik spezialisiert. Ein Schwerpunkt ist das Lackieren von Kunststoffteilen, aber auch die Bearbeitung von metallischen Materialien unterschiedlicher Struktur zählt zum Portfolio. Dabei werden verschiedenste Industriezweige beliefert. Die Kunden kommen vor allem aus der Automobilindustrie aber auch aus den Bereichen der Medizintechnik und des Stahl- und Metallbaus.