In der Industrie entsteht häufig Abwärme. Die für den Prozess in Jackons Muurla-Werk erforderlichen Temperaturen sind sehr hoch, aber die Hochtemperaturtechnologie der industriellen Wärmepumpen von Oilon kann diese Anforderungen erfüllen.
Die Jackon-Gruppe ist der führende Dämmstoffhersteller in den nordischen Ländern. Ende letzten Jahres fusionierten ThermiSol, Tupler, Epsira und Pohjoismainen Solumuovi zu Jackon Finland Oy, Teil der in Familienbesitz befindlichen norwegischen Jackon-Gruppe. Die Gruppe produziert energieeffiziente Lösungen für das Bauwesen und die Industrie mit einer breiten Palette von EPS-, XPS- und EPP-Isolatoren, Gehäusen und Komponenten.
Das Thema Energieeffizienz wird schon seit langem untersucht
Nach einem verheerenden Brand am finnischen Unabhängigkeitstag, dem 6. Dezember 2008, konnte das Werk in Muurla Anfang 2009 wieder nahezu vollständig hergestellt werden.
Die verschiedenen Schaumstoffprodukte des Unternehmens – mit Ausnahme von Dämmplatten – werden mit Hilfe der Schaumstoffexpansion in einer Form produziert. Als Rohstoffe werden Polystyrol (EPS), Polyethylen (EPE) und zunehmend auch Polypropylen (EPP) verwendet. Das Schäumen oder Sintern erfolgt mit Sattdampf bei einer Temperatur von ca. 120°C für Polystyrol und ca. 140°C für Polypropylen.
Das Sintern erfolgt in 20 großen „Öfen“. Der Expansionszyklus dauert nur 1-2 Minuten, danach wird die Form auf etwa 90°C abgekühlt. Dieser Vorgang benötigt sehr viel Energie. Darüber hinaus wird Wärme in vier Wärmebehandlungsöfen benötigt, in denen EPE- und EPP-Produkte nach dem Sintern zur Verfestigung eingelegt werden. EPS benötigt diese Nachbearbeitung nicht.
„Vor zehn Jahren begannen wir mit der Forschung für eine effizientere Energienutzung“, sagt Jukka Mälkönen, Produktionsleiter im Werk Muurla. „Bei der Kühlung der Formen entsteht 50-60°C warmes Wasser, das üblicherweise in einem Kühlturm auf 30-40°C abgekühlt wird. Jährlich wurden dabei 3.000 Megawattstunden (MWh) Energie verbraucht.“
„Schon damals haben wir die zusätzliche Wärme in vollem Umfang genutzt, aber zum Beispiel waren wir nicht in der Lage, die für die Wärmebehandlungsöfen benötigte hohe Temperatur – knapp 100°C – zu erzeugen. Damals waren Wärmepumpen technisch nicht imstande, diese Temperaturen zu erzielen.“
Die Planung bedurfte umfangreicher Berechnungskenntnisse
Einige Jahre später las Mälkönen einen Artikel, aus dem hervorging, dass Wärmepumpen Temperaturen von über 100°C erreicht hatten. Er setzte sich mit einigen Fachleuten in Verbindung und traf sich mit einigen von ihnen, aber keiner von ihnen bot die Technologie von Oilon an. Sie boten Komplettlösungen an, doch ihre Angebote erschienen sehr teuer.
„Bei der Systemauslegung wurden viele Berechnungen vorgenommen, doch wir wussten am besten damit umzugehen, weil wir den Prozess genau kannten“, fährt Mälkönen fort. „Bisher hatten wir eine starke Beziehung zu Oilon, da wir ihre Brenner beispielsweise im Dampfkessel einsetzten. Wir begannen, das gesamte System mit ihnen zu entwerfen, da sie über eine lange Erfahrung mit Hochtemperatur-Wärmepumpen sowie über das Know-how zur Durchführung der Berechnungen verfügen“.
„Wir beschlossen, die notwendigen Wärmetauscher selbst herzustellen und das System selbst zu installieren. Oilon half uns bei der Auslegung und Bemessung verschiedener Details und lieferte die geeignete Wärmepumpe für den vorgesehenen Einsatz.“
Diverse Hochtemperatur-Wärmeströme
Das Kühlwasser aus den Formen wird in einen 20 m3 großen Tank geleitet, der eine Temperatur von etwa 50-60°C hat. Die Wärmepumpe nutzt diesen Kühlkreislauf als Wärmequelle und kühlt das Wasser auf 40°C ab, wobei die Notwendigkeit des Einsatzes von Kühltürmen reduziert wird.
Die Wärmepumpe erzeugt etwa 95°C warmes Wasser, das zur Beheizung der Nachbehandlungsöfenund Räumlichkeiten verwendet wird. Dadurch wird der Einsatz von Dampf und Elektrizität weitgehend überflüssig. Andererseits wird die Wärmepumpe auch zur Erwärmung des Kesselspeisewassers eingesetzt.
Sinterdampf wird in der Fabrik nach wie vor in einem mit Flüssiggas (LPG) beheizten Kessel erzeugt. Das Speisewasser des Dampfkessels kommt aus dem städtischen Wassernetz mit einer Eintrittstemperatur von 6-7°C und wird durch direkte Wärmerückgewinnung auf etwa 60°C erhitzt. Die Wärmepumpe erwärmt das Kesselspeisewasser weiter auf etwa 80°C.
Hohe Temperaturen – von nahezu 100°C – werden auch bei der Imprägnierung des Rohmaterials benötigt und es steht auch mehr als genug Energie zur Verfügung, um die Räumlichkeiten zu beheizen. Alles in allem steht mehr Wärmeenergie zur Verfügung, als die Anlage benötigt. Ein Teil der Wärme geht an den Kühlturm, da zum Beispiel die Stadtverwaltung kein Interesse daran hat, sie für Fernwärme im Dorf Muurla zu nutzen.
Viel Leistung bei guter Effizienz
„Wir haben uns für die Wärmepumpe Oilon ChillHeat P 150 entschieden“, sagt Martti Kukkola, Geschäftsleiter für industrielle Wärmepumpen und Kältemaschinen bei Oilon. „Sie hat die richtige Größe für dieses System und erreicht sehr hohe Temperaturen. Die beiden Verdichter der Wärmepumpe sind invertergeregelt, was einen ausgezeichneten Wirkungsgrad und einen sehr großen Leistungsregelbereich ermöglicht“.
„Jackon verfügt bei 50-60°C über eine beträchtliche Abwärme. Die erforderlichen Prozesstemperaturen sind jedoch so hoch, dass es nicht möglich wäre, die Abwärme mit einer konventionellen Wärmepumpe zu nutzen. Konventionelle Wärmepumpen erreichen Leistungen im Bereich von 50-60°C, was für die hier gestellten Voraussetzungen gerade erst der Startwert ist.“
Kukkola lobt ausgiebig die Sachkenntnis von Mälkönen und seinen Mitarbeitern, z.B. hinsichtlich der anspruchsvollen Implementierung wichtiger Rohr- und Mantelwärmetauscher. „Der Kunde hat das System selbst gebaut. Sie verfügen über viel Fachwissen“.
Die an Jackon gelieferte Wärmepumpe ChillHeat P150 hat eine Gesamtnennheizleistung von 372kW und einen COP (Coefficient of Performance) von 3,2, obwohl sie fast 100°C warmes Wasser produziert.
Das Kältemittel (oder Wärmeübertragungsmedium) der Wärmepumpe ist R1234ze. Es handelt sich um ein Kältemittel einer neu entwickelten Technologie, das zusammen mit der Wärmepumpe der P-Serie eine Temperatur von 100°C erzeugen kann. Die Substanz hat ein sehr niedriges Treibhauspotenzial (GWP) von weniger als 1. Das Kältemittel ist A2L klassifiziert, d.h. ungiftig,aber leicht entflammbar. Aus diesem Grund ist die Wärmepumpe vollständig eingehaust und mit einem Gaslecksensor und einer Belüftung ausgestattet.
Die Wärmepumpe ist über eine Fernverbindung mit dem Kontrollsystem Oilon Global Monitor verbunden, welches die Leistung der Anlage, die Nutzungsrate und die Stromerzeugung überwacht und mögliche anormale Betriebszustände sofort meldet.
Erschwingliches und funktionelles Paket
„Die Wärmepumpe wurde Anfang 2019 in Betrieb genommen und inzwischen verfügen wir über eine 11-monatige Betriebsstatistik“, fährt Mälkönen in dem im Januar 2020 geführten Interview fort. „Während dieser Zeit produzierte die Wärmepumpe 413MWh Wärme und verringerte auch den Kohlenstoff-Fußabdruck der Produktion erheblich. Man hätte noch viel mehr produzieren können, aber es gab keinen Ort, an dem wir es hätten nutzen können. Die Wärmebehandlungsöfen waren im vergangenen Jahr nicht voll ausgelastet, aber in diesem Jahr werden alle vier Öfen vollständig in Betrieb sein. Andererseits wurde die Heizung des Anwesens erst im Frühjahr an das System angeschlossen.“
„Die Stärke von Oilon besteht zum einen darin, dass sie zu berechnen wissen, so dass wir eine exakt dimensionierte Lösung erhalten haben und zum anderen kümmern sie sich auch um die Wartung der Maschine. Darüber hinaus ermöglichte unsere eigene Fachkompetenz bei der Umsetzung, das System zu relativ geringen Kosten einzurichten. Die Wärmepumpe machte etwas weniger als die Hälfte der Gesamtinvestition aus und wir erhielten ebenfalls Investitionszuschüsse für unser Projekt. Die Amortisationsdauer dürfte sehr ausgewogen sein.“
“Zu Projektbeginn waren die Risiken hoch, weil wir diese neue Technologie für eine völlig neue Verwendungsart einrichteten. Es ist jedoch alles so verlaufen, wie wir gehofft hatten und es gab während des Jahres keine Probleme mit der Wärmepumpe. Alles hat perfekt funktioniert. Das freut mich wirklich sehr.“
