Die produzierende Industrie steht in der Schweiz vor einer doppelten Herausforderung: Sie muss ihre Prozesswärme entsprechend der nationalen Ziele langfristig klimaneutral bereitstellen und gleichzeitig international wettbewerbsfähig bleiben. Genau hier setzt die prozessintegrierte Elektrifizierung an: Wo heute noch Dampf aus fossilen Energieträgern dominiert, können Wärmerückgewinnung und die Substitution durch Strom die CO₂-Emissionen stark senken. Am Beispiel der Syngenta Crop Protection AG am Standort Kaisten wird deutlich, wie aus einer Pinch-Analyse ein konkretes Elektrifizierungskonzept entsteht – mit hohen Energie-, Kosten- und CO₂-Einsparungen.
Die langfristige Klimastrategie der Schweiz zielt darauf ab, die Treibhausgasemissionen des Industriesektors bis zum Jahr 2050 um 90 % gegenüber 1990 zu reduzieren. Die Elektrifizierung ist dabei ein zentraler Hebel.
Das Unternehmen Syngenta Crop Protection AG hat ein Netto-Null-Ziel für seine Standorte in der Schweiz festgelegt und verfolgt darüber hinaus das Ziel, seine Scope-1- und Scope-2-Emissionen bis 2030 um 38 % gegenüber 2022 zu senken.
Pinch-Analyse als Schlüsselmethode
Um die thermischen Energiebedürfnisse der Prozesse zu ermitteln und mögliche Energieeffizienzmassnahmen zu entwickeln, führte die Hochschule Luzern bei der Firma Syngenta Crop Protection AG am Standort in Kaisten eine Pinch-Analyse durch.
Dabei zeigte sich grosses Potenzial für die Integration der Wärmepumpentechnologie, mit welcher Einsparungen von bis zu 17 GWh Heizdampf pro Jahr erreicht werden können. Untersucht wurde die Integration einer Hochtemperaturwärmepumpe (HTWP) und einer mechanischen Brüdenverdichtung (MBV), wobei die mechanische Brüdenverdichtung eine bessere Wirtschaftlichkeit zeigte. Daher wurde diese Option konzeptionell vertiefter ausgearbeitet.
Elektrifizierungskonzept
Der Prozess, in den die MBV integriert werden sollen, besteht aus sechs diskontinuierlich arbeitenden Reaktoren, die jeweils mit einer Rektifikationskolonne kombiniert sind (siehe Abbildung 3). Um das flüssige Edukt in den Reaktoren zu verdampfen, müssen die Reaktoren beheizt werden. Zeitgleich muss das gasförmige Produkt aus den Rektifikationskolonnen mit Kühlwasser gekühlt werden, um dessen Kondensation zu erreichen. Die Heiz- und Kühlanforderungen einer Einheit, bestehend aus Reaktor und Rektifikationskolonne, treten somit immer gleichzeitig auf. Dies ermöglicht die Integration eines MBV-Systems ohne thermischen Energiespeicher, welches die Kondensationsenergie des Prozessmediums als Wärmequelle und der Heizbedarf des Reaktors als Wärmesenke nutzt.
Die Composite Curves in Abbildung 1 zeigen die Heiz- und Kühlanforderungen des Prozesses. Anhand dieser Kurven wird sichtbar, dass ein Wärmepumpensystem gleichzeitig den Kühlbedarf unterhalb des Pinch-Punktes und den Heizbedarf oberhalb des Pinch-Punktes decken kann. Nur eine MBV-Integration auf diese Weise (über den Pinch-Punkt) kann die Energiebedürfnisse reduzieren.
Die Verdampfungs- und Kondensationstemperaturen sowie der Wärmestrom ändern sich über den Zeitverlauf des Batch-Prozesses. Da es sechs Produktionseinheiten (bestehend aus Reaktor und Rektifikationskolonne) gibt, die zeitlich versetzt betrieben werden, überlagern sich mehrere dieser Heiz- und Kühlbedürfnisse. Aus technischen und wirtschaftlichen Gründen wird ein zentrales MBV-System favorisiert, das die Heiz- und Kühlbedürfnisse aller sechs Einheiten decken kann, anstatt ein MBV-System pro Produktionseinheit vorzusehen.
Der Zeitplan, nach dem die Produktionseinheiten betrieben werden, ist automatisiert und weitgehend unverändert. Dies begünstigt den Einsatz von MBV, da so das summierte Lastprofil aller Produktionseinheiten immer dem gleichen Muster folgt. Zur Schaffung möglichst konstanter Betriebsbedingungen für das MBV-System wurde der Zeitplan hinsichtlich Optimierungspotenzial analysiert. Die Analyse hat gezeigt, dass die Heiz- und Kühlbedürfnisse derzeit am gleichmässigsten verteilt sind, deshalb die kleinsten Bedarfsamplituden entstehen und somit keine Anpassungen an der aktuellen Betriebsweise erforderlich sind.
Die Reaktoren sind mit aufgeschweissten Halbrohrschlangen versehen und werden zurzeit mit Heizdampf beheizt. Durch die kleine Wärmeübertragungsfläche dieser Heizschlangen sind hohe Temperaturen des Heizmediums nötig (Heizdampf bei 12 bar(a)). Um den Betrieb mit geringeren Temperaturen zu ermöglichen, wurde ein neues Konzept zur Reaktorheizung vorgeschlagen: Das Flüssigkeitsgemisch aus dem Reaktor wird in einen externen Wärmeübertrager (WÜ) gepumpt, aufgeheizt und wieder zurück in den Reaktor befördert. Dadurch kann die benötigte Temperatur des Heizmediums um ca. 50 K reduziert werden.
Das gasförmige Produkt aus den sechs Rektifikationskolonnen kann nicht direkt zur Verdichtung in den MBV genutzt werden, da sich die Kolonnen aufgrund des Zeitversatzes in unterschiedlichen Prozessschritten befinden und sich somit Druck, Temperatur und Zusammensetzung der gasförmigen Produkte unterscheiden. Deshalb wird der Dampf, welcher zur Verdichtung in den MBV und anschliessend zum Beheizen der Reaktoren genutzt werden soll, in einem getrennten System erzeugt. Damit die Kondensationsenergie des gasförmigen Produktes genutzt werden kann, wird der Dampf in einem Vakuum von 0.25 bar(a) generiert.
Der Dampf wird anschliessend in acht seriell geschalteten Brüdenverdichtern auf einen Druck von 3.6 bar(a) verdichtet. Dieser Druck und die resultierende Kondensationstemperatur reichen aus, um die Reaktoren zu beheizen. Die Machbarkeit dieses Konzeptes wurde sowohl vom MBV-Hersteller sowie von einem international führenden Verfahrenstechnikunternehmen bestätigt.
Einsparungen
Mit dieser Massnahme wird die zuvor benötige Kühl- und Heizenergie fast komplett durch die Erzeugung von Dampf bei tiefem Druck, respektive dessen Kondensation bei höherem Druck, ersetzt. Dafür wird lediglich der elektrische Energiebedarf der Kompressoren benötigt. Mit anderen Worten: Der Prozess ist weitestgehend elektrifiziert. Zudem weist der Prozess einen sehr hohen Grad an Wärmerückgewinnung auf. Die Einsparungen durch diese Massnahme belaufen sich auf 16.9 GWh Dampf und 12.6 GWh Kühlwasser pro Jahr. Dafür müssen jährlich 4.3 GWh Elektrizität aufgewendet werden. Zusätzlich werden pro Jahr 4000 t an CO₂ eingespart.
Berücksichtigt man die Einsparungen bei den Betriebskosten sowie die anfallenden Investitionskosten, ergibt sich für diese Massnahme eine Amortisationszeit zwischen 6.6 und 8.5 Jahren (abhängig von den prognostizierten Energiepreisen).
Dario Allgäuer, Elisa Frink, Donald Olsen1, Benjamin Tschan2
1 HSLU, Institut für Maschinen- und Energietechnik
2 Syngenta Crop Protection AG, Kaisten
Hochschule Luzern
Technik & Architektur
Institut für Maschinen- und Energietechnik IME
Donald Olsen
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