Mit natürlichem Kältemittel zum CO₂-neutralen Standort

Perfekt durchdachtes Energiemanagement

Als Energiebeauftragter bei Schaeffler für den Standort Bühl hatte Tobias Szargan klare Vorstellungen, welche Zusammenhänge berücksichtigt werden müssen: „Die Abwärme der Kühlgeräte wurde in die Halle geleitet, erhöhte damit deren Energieverbrauch und verschlechterte das Arbeitsplatzklima. An heißen Sommertagen führte das bis zum Ausfall von Bearbeitungsmaschinen.“ Ziel war es, die verlorene Wärme aus dem Metallbearbeitungsprozess nutzbar zu machen und die Anzahl der Kühlgeräte zu reduzieren. Die 70 Kompaktgeräte nahmen in der Produktion viel Platz in Anspruch und verursachten einen erheblichen Wartungs- und Instandhaltungsaufwand. „Darüber hinaus verwendeten alle Kleingeräte klimaschädliche chemische Kältemittel“, sagt Szargan. Statt vieler Einzelgeräte strebte der Energiebeauftragte daher den Aufbau eines Prozesskühlnetzes mit einer zentralen Kälteversorgung unter Nutzung eines natürlichen Kältemittels an.

Gemeinsam mit Andreas Glaser definierte Tobias Szargan die Anforderungen an das neue Kältekonzept des Schaeffler-Standorts. Besonders herausfordernd gestaltete sich die Ermittlung des tatsächlichen Bedarfs an Kälteleistung für eine Zentralversorgung: „In der Regel sind die zu den Bearbeitungsmaschinen mitgelieferten Kühlgeräte überdimensioniert. Das Aufsummieren der auf den Einzelgeräten angegebenen Nennleistung ist daher nicht zielführend. Zudem ist unser Werkzeugbau sehr agil. Sichere Berechnungsgrundlagen zu eruieren, war eine der schwierigsten Aufgaben in diesem Projekt, die wir mit einer gewissen Unschärfe jedoch lösen konnten“, erklären die Projektverantwortlichen. Über mehrere Sommermonate führten sie Leistungsmessungen an einigen Bearbeitungsanlagen durch und leiteten daraus den Bedarf des gesamten Maschinenparks im Worst-Case-Szenario ab. Das Ergebnis: Die Anlage sollte zum Start 270 Kilowatt Kälteleistung bereitstellen können und für die Zukunft erweiterbar sein.

Natürlich vorkommendes Kältemittel als zukunftssichere Lösung

Im nächsten Schritt holte Schaeffler technotrans ins Boot. Da die Ideen und Wünsche nicht mit einer „Anlage von der Stange“ zu verwirklichen waren, setzte Schaeffler auf den vertrauten Kältetechnik-Partner. „Wir haben bereits mehrere Projekte gemeinsam realisiert. technotrans agiert sehr kundenorientiert und technisch auf höchstem Niveau. Vom Kick-off bis zur Abnahme fühlten wir uns immer sehr gut betreut“, betont Szargan. Beste Voraussetzungen also für das neue Vorhaben. Mit Unterstützung von Gebietsverkaufsleiter Stephan Untraut und Sales Manager Tobias Escher des technotrans-Standorts Meinerzhagen nahm das Projekt Gestalt an. „Unser oberstes Ziel war ein nachhaltiger und intelligenter Aufbau der zentralen Kälteversorgung“, erklärt Szargan. „Besonders herausfordernd war, dass wir von chemischen, umweltschädlichen Kältemitteln wegwollten, was im Industrieumfeld, insbesondere bei großen Anlagen, bisher noch wenig Beachtung findet.“

Ein zentrales Anliegen des Schaeffler-Energiebeauftragten war der Einsatz eines natürlichen Kältemittels mit niedrigem Global Warming Potential (GWP). Zur Einordnung: Herkömmliche HFKW-Kältemittel wie R407C (GWP 1774) oder R134A (GWP 1430) haben ein vier- bis fünftausendfach höheres Treibhauspotenzial als CO₂. Ab 2025 dürfen Neuanlagen nur noch Kältemittel mit einem GWP von maximal 750 verwenden. Bereits heute fördert der Bund Anlagen nur dann, wenn der GWP-Wert unter 150 liegt. Mit dem in der verschärften F-Gas-Verordnung beschriebenen Phase-down werden die Mengen teilfluorierter Kohlenwasserstoffe in der EU weiter reduziert. „Kältemittel mit höherem GWP werden somit verknappt, schlechter verfügbar und unkalkulierbar teurer“, betont Tobias Szargan.

Technikraum im Übersee-Container macht‘s möglich

Schaeffler entschied sich für das zukunftssichere natürliche Kältemittel R290 (Propan), dessen GWP bei lediglich 3 liegt. Da Propan brennbar ist, stellt es hohe Ansprüche an den Brandschutz. Zudem bereitete der Aufstellort der Anlage mit ihren großen und schweren Komponenten den Verantwortlichen Kopfzerbrechen. Eine zusammenhängende Fläche im Produktionsumfeld schied mangels Platzes aus, das Hallendach aufgrund der Statik und ein Neubau aus Kostengründen. Die rettende Idee kam von technotrans: Ein als Technikraum eingerichteter Übersee-Container beherbergt sämtliche Pumpen, Tanks, Kältemaschine, Rückkühler und Schaltschränke. „Durch die Platzierung außen an der Hallenrückwand mussten wir keine wertvolle Produktionsfläche im Gebäude opfern. Und die Propan-Kältemaschine ist abgeschottet von den restlichen Komponenten in einer eigenen Container-Sektion mit Gaswarnanlage untergebracht“, sagt Szargan.

Der Energiebeauftragte war überrascht über die geringe Kältemittelmenge trotz des kleineren Wirkungsgrads von Propan: „Ich hatte mit zwei Mal 30 Kilogramm gerechnet, tatsächlich ist die Kälteanlage mit zwei Mal elf Kilogramm Propangas befüllt. Das entspricht zwei handelsüblichen Gasflaschen, wie sie für den heimischen Gasgrill verwendet werden.“ Ein weiterer Vorteil der Lösung liegt in ihrer Flexibilität: Container beziehungsweise Kälteanlage sind erweiterbar und bei Veränderung des Gebäudes leicht versetzbar.

Bedarfsgerechte Versorgung und Wärmerückgewinnung kombiniert

Die Produktion in Kappelrodeck ist in drei Segmente unterteilt. Den höchsten Anspruch an die Prozesskühlung hat das Drahterodieren, das in einen Kühlwasserkreislauf mit einer Vorlauftemperatur von 14 Grad Celsius eingebunden ist. Andere Bearbeitungsprozesse wie Fräsen und Drehen benötigen eine Grundtemperatur von 20 Grad Celsius. Das dritte Segment der Fertigung benötigt kein Kühlwasser. „Indem wir nicht allein mit einem 14-Grad-Kühlwassernetz die Halle versorgen, sondern zusätzlich einen zweiten Kreislauf mit 20-Grad-Wasser nutzen, sparen wir enorm viel Energie“, erklärt Szargan.

Ebenfalls effizient gestalteten technotrans und Schaeffler die Rückgewinnung der Prozesswärme: Die Abwärme, die in der zentralen Kältemaschine während der Kühlung entsteht, beträgt 55 Grad Celsius und ist dann als Warmwasser für die Beheizung des Gebäudes oder andere Prozesse nutzbar. technotrans speist damit einen 3.000-Liter-Wasserpuffer. „Wir nutzen die Wärme des Kältemittels, um Warmwasser zu erzeugen“, erläutert Sales Manager Tobias Escher.

Winterentlastung steigert Energieeffizienz

Die sogenannte freie Kühlung über Glykol-Rückkühler entlastet die Kälteanlage vor allem im Winter. Bei niedrigen Außentemperaturen kann dadurch Kälte effizienter und kostengünstiger erzeugt werden als mit einer herkömmlichen Kältemaschine. Beide Kühlwasserkreisläufe sind mit einer solchen Winterentlastung ausgestattet. „Wenn wir im Winterbetrieb weniger Wärme benötigen, als wir erzeugen, können wir komplett auf die Kältemaschine verzichten“, sagt Industrial Engineer Glaser.

Der Freikühler kommt bei Schaeffler auch dann zum Einsatz, wenn die Heizung keine Energie benötigt – zum Beispiel an Sonntagen oder in Sommermonaten. In diesen Fällen wird die nicht benötigte Abwärme der Kälteerzeugung über den Freikühler auf dem Dach des Containers an die Umwelt abgegeben, um die Kälteanlage zu entlasten und das Kältemittel wieder zu verflüssigen. Dies unterstützt auch die Klimatisierung und Lüftung der Produktionshalle, da die Abwärme nicht wie zuvor die Hallenluft aufheizt.

Effiziente Installation und Minimierung der Betriebskosten

Im Rahmen der Installation waren nur kurze, aber geplante Produktionsunterbrechungen erforderlich, um die Fertigungsmaschinen sukzessive an das neue Kältenetz anzubinden. Hierzu installierte technotrans parallel zum Fertigungsbetrieb die Rohrleitungen und stellte Schaeffler für den Start eine Leihkälteanlage zur Verfügung. „Dadurch konnten wir im Hintergrund die zentrale Kälteanlage aufbauen, die Leitungen verbinden und zur Inbetriebnahme ohne weitere Unterbrechung umschalten“, berichtet Industrial Engineer Glaser. Zudem waren die wesentlichen Komponenten von technotrans bereits im Container vorinstalliert, was die Baustellenzeit stark minimierte. „Diese Installationslösung ist top“, betont Glaser.