Effizienz von Kühlprozessen optimieren

Zu Kühlprozessen kann Wasser der Umgebung die zum Verdampfen notwendige Energie entziehen. Hierdurch konzentrieren sich in der Flüssigkeit gelöste Salze und Verunreinigungen, da diese beim Verdampfungsprozess nicht in die Gasphase wechseln können. Insbesondere bei Kühlturmsystemen führt dies zu einer höheren Konzentration an ungewünschten Stoffen im Wasser.

Zudem besitzt Wasser ausgezeichnete Eigenschaften als Lösungsmittel für Salze und Sauerstoff, sodass ein großes Spek­trum an chemischen Umwandlungen, wie Korrosionsprozesse, in seiner Umgebung möglich ist. Auch ist das Temperaturfenster des Kühlwassers gut geeignet für ein rasantes Wachstum von Mikroorganismen. Alles in allem entsteht ein Cocktail aus Chemikalien und Organismen, der Korrosion, Ablagerungen und Verschleimungen der mit Wasser beaufschlagten Aggregate des Kühlsystems fördern kann. Die Folgen für die Energieeffizienz des Kühlprozesses können drastisch sein, denn die Beläge wirken wie Wärmeisolatoren auf die Übertragungsflächen und ein erschwerter Transport der Wärmeenergie ist die Folge.

Praktisches Beispiel: Spritzgießerei

Dies bestätigt der Spritzgießmaschinenhersteller Arburg aus dem schwarzwäldischen Loßburg im Kontext der Erhöhung der Energieeffizienz des Spritzgießprozesses in seinen Angaben zur Verbesserung der Energieeffizienz dieses Prozesses: „Auch die Erhöhung der Wasserqualität sorgt für freie Leiterquerschnitte und damit weniger Energieaufwand sowie eine verbesserte Prozessregelfähigkeit.“

Spritzgießprozesse in der Kunststoffindus­trie benötigen besonders viel Energie zur Formgebung der Kunststoffprodukte. Hier können Belagbildungen den Wärmeübertrag empfindlich stören, was auch zu längeren Zykluszeiten bei der Herstellung der Kunststoffbauteile führen kann. Hierzu können über die Oberflächentemperaturen bei Wärmeaustauschprozessen die thermografischen Aufnahmen zum Beispiel mit der Kamera eines iPad informieren. Schleichende Veränderungen werden so sichtbar. Eine nicht adäquate Beachtung des Kühlwassers kann somit zu einer systemkritischen Gefährdung des Wärmeübertragungsprozesses führen. Daher sind geeignete Wasseraufbereitungsverfahren zu installieren. Dieses proaktive Vorgehen wird durch eine wesentliche Erhöhung der Effizienz beim Kühlprozess belohnt.

Auf diese Fragen des Markts haben viele Kühlanlagenhersteller reagiert, indem sie eigenes Personal mit naturwissenschaftlichem oder verfahrenstechnischem Hintergrund beschäftigen, das sich der Kühlwasserprobleme der Kunden annimmt. Auch tummelt sich eine Vielzahl kleiner Unternehmen auf dem Markt, die sich mit diesem Thema beschäftigen. Dabei liefern große Player im Süden der Republik, wie Grünbeck aus Höchstadt, oder im Norden Berkefeld aus Celle, das notwendige Zubehör.

Wasseranalyse als Planungsgrundlage

Zentrale Planungsgrundlage für geeignete Wasseraufbereitungsmaßnahmen ist eine Wasseranalyse, die im Vergleich zu dem zu erwartenden Nutzen mit einfacher Messtechnik realisiert werden kann. Denn es lassen sich wichtige Parameter, allen voran Leitfähigkeit und pH-Wert, durch im Laborhandel erhältliche Messgeräte bestimmen. Weitere wichtige Messgrößen wie der Härtegrad sowie die Chloridionen-Konzentration einer Kühlwasserprobe sind durch fotometrische Messung zugänglich. Hierzu werden die gelösten Ionen mittels chemischer Reaktion in einen Farbstoff umgewandelt. Der dann durch die Lichtdurchlässigkeit bestimmte Farbstoffgehalt in der Wasserprobe ist ein quantitativer Indikator für den Gehalt der Substanzen im Wasser.

Dabei sind für geschlossene Kühlanlagen Härtegrade um 4 °dH Härte optimal. Liegt der Parameter in diesem Bereich, kommt es zu einer dünnen Schutzschicht aus Calciumcarbonat, dem Ausfällungsprodukt der Kalkhärte, die die darunterliegende Metallschicht vor korrosiven Angriffen durch im Wasser gelösten Sauerstoff schützt. Der pH-Wert eines Kühlwassers sollte zwischen 7,5 und 8,5 liegen. Bei kleineren Werten liegt ein höherer Säuregehalt im Kühlwasser vor, der die säureinduzierte Korrosion fördert. Auch erhöhte Chlorid­ionengehalte fördern Korrosionsprozesse.

Wasseraufbereitung

Kommt es in der Praxis bei den Kühlwasserparametern zu Abweichungen, dann sollte eine geeignete Wasseraufbereitung greifen, damit die Wasserparameter den Anforderungen entsprechend eingestellt werden können.

Schon seit Jahrzehnten ist die Chemikaliendosierung Stand der Technik. Die zugesetzten Chemikalien bilden dünne Filme auf Metalloberflächen, stabilisieren gegen ungewünschte Kalkausfällungen oder zerstören das Wachstum von Algen. Ferner haben sich Ionentauscher- und Umkehrosmose-Verfahren etabliert. Diese entfernen entweder die sich im Wasser befindlichen Salze vollständig im Falle der Umkehrosmose oder bei Enthärtungsanalagen teilweise. Die Umkehrosmose entfernt alle Ionen aus dem Wasser, anschließend kann dieses mit einem Korrosionsschutzmittel zum Nachspeisen des Kühlwasserreservoirs geimpft werden. Jedoch fallen bei diesem Vorgehen größere Wasserverbräuche durch den Umkehrosmoseprozess sowie Reinigungskosten für die Membranen der Anlagen an. Im Kühlwasserbereich entstehen bisweilen nicht zu rechtfertigende Betriebskosten.

Chemikalienfreie Kühlwasserbehandlung

In der jüngeren Vergangenheit stellt die Öffentlichkeit den massiven Einsatz von Chemikalien infrage. Allein in der Bundesrepublik gelangen 6000 Tonnen Wasserbehandlungschemikalien in Umlauf. Auch gelangen die entweder proportional zum Kühlwasserverbrauch zugesetzte Korrosionsschutz- oder Härtestabilisierungschemikalien sowie die stoßweise dosierten Biozide in die Umwelt. Dies verursacht kontinuierlich Kosten, begleitet von abwasserkritischen Abbau- und Reaktionsprodukten im Umlaufwasser. Daher fordern Anlagenbetreiber vermehrt Handlungsoptionen bei einem größer werdenden ökologischen und ökonomischen Bewusstsein.

Auf dem Markt sind alternative chemikalienfreie Kühlwasserbehandlungsmethoden schon seit einiger Zeit erhältlich. Zum Beispiel können durch einen biologisch aktiven Filter dem Kühlwasser störende Inhaltstoffe entzogen werden. Auch die UV-Entkeimung ist eine lokal wirksame Methode: Sie zerstört mittels aggressiver ultravioletter Strahlung weitestgehend das Zellgerüst der Mikroorganismen und führt so zu einer Desinfektion des Umlaufwassers. Ihre Erbsubstanz wird so geschädigt, dass die Fähigkeit zur Vermehrung eingeschränkt wird. Auch können durch den Einsatz von Ozon Mikroorganismen zerstört werden.

Hierzu meint Dr. Thomas Track, DECHEMA: „Bei den häufig großen umgewälzten Kühlwassermengen schlägt der Kostenfaktor schnell zu. Physikalische Verfahren benötigen daher eine entsprechende Leistungsfähigkeit.“

Auch mit galvanischen Systemen, z.B. Zinkopfer-Anoden, kann Korrosion zurückgedrängt werden. Da dieses Element aus Sicht der Chemiker zu den unedlen gehört, wird es zunächst oxidiert, wenn es mit den höherwertigen metallischen Werkstoffen von Anlagen verbunden ist. Hierzu Track: „Durch die Anodentechnik wird zum einen Korrosion verringert, zum anderen kann durch die veränderte Kristallisationsform der Hydrogenkarbonat-Ionen die Bildung von Kalkablagerungen an metallischen Oberflächen verringert werden.“

Damit beantwortet die Wasserbranche die Frage nach der Optimierung der Kühlwasserqualität mit einem großen Spektrum an Handlungsoptionen für den Betreiber – sicher auch mit einem Akzent auf der Bedeutung des Kühlwassers für die Nachhaltigkeit und Energieeffizienz.