Energiesparmöglichkeiten in der Lackiertechnik

Einleitung

Energie in Lackierungsanlagen

Lastmangement und Stromkosten  

Tips für Neuanlagen

Zusammenfassung

1. Beispiel: Anlagenlayout
2. Beispiel: Automatisch Abschalten
3. Beispiel: Isolation
4. Beispiel: Temperaturabsenkung
5. Beispiel: Abwärmenutzung
6. Beispiel: Öffnungen und Luftführung
7. Beispiel: Volumenförderung
8. Beispiel: Energiesparmotor

Auszug aus der RAVEL-Dokumentation "Energiesparmöglichkeiten in der industriellen Lackiertechnik" Nr. 724.397.21.07 D von Rolf Gloor

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Einleitung

Lackierungsanlagen verbrauchen viel Energie. Weil die Energiekosten (Heizöl, Gas und Elektrizität) relativ tief sind, treten sie in der Betriebsrechnung nicht gross in Erscheinung. Sie werden dort oft den Fixkosten zugeordnet. In Lackieranlagen ist der Energieverbrauch aber keine fixe Grösse. Energieeffiziente Anlagen, welche gut geführt werden, brauchen weniger Energie pro Oberflächeneinheit. Einsparungen von 50% und mehr sind durchaus realistisch. Vergleicht man die Energiekosten mit dem Betriebsgewinn, erhalten sie in eine interessante Dimension.

Pulverbeschichtungsanlagen belasten die Umwelt weniger als Lackieranlagen mit lösungsmittelhaltigen Farben. Die Energieproduktion belastet aber auch unsere Umwelt. Es ist daher naheliegend, dass umweltbewusste Lackierunternehmen mit der Energie sparsam umgehen. Die rationelle Verwendung von Energie ist aber auch ein Zeichen dafür, dass man die Anlage und den Prozess beherrscht. Die Energieeffizienz ist ein Qualitätsmerkmal des Beschichtungsbetriebes.

Argumentenpyramide für die rationelle Verwendung von Energie in Pulverbeschichtungsanlagen.


Energie in Lackieranlagen

In einer Pulverbeschichtungsanlage ist der Grundprozess das Beschichten von Metalloberflächen mit Lackpulver. Die notwendige Prozesswärme für das Schmelzen des Pulvers macht nur einen Bruchteil des Energieverbrauchs der ganzen Anlage aus. Betrachtet man eine Pulverbeschichtungsanlage von aussen, zeigen sich zwei gegenläufige Prozesse: Zum einen werden Metallteile veredelt, zum anderen wird Energie von einem hochwertigen auf ein niedrigwertiges Niveau gebracht und Abfall produziert.

Stoff- und Energiefluss in einer Pulverbeschichtungsanlage

Verfolgt man ein Teil auf seinem Weg durch eine Pulverbeschichtungsanlage, so sieht man, dass es dreimal erwärmt wird. In der Vorbehandlungsanlage wird es auf 40 bis 60 °C erwärmt, im folgenden Haftwassertrockner auf bis 150 °C. Danach muss es sich für die Applikation wieder Raumtemperatur abkühlen. Darauf folgt das Einbrennen bei 160 bis 220 °C. Mit einer guten Wärmerückgewinnungsanlage muss nur der Einbrennofen geheizt werden. Der Trockner wird mit der Abwärme des Ofens betrieben und die Vorbehandlungsanlage mit der des Trockners. Diese Wärmekaskade ist in modernen Anlagen üblich und kann auch bei Sanierungen angewendet werden.

Eine untersuchte Pulverbeschichtungsanlage beschichtet 500'000 Flachwaren pro Jahr. Die Teile haben Abmessungen bis 2 * 0,8 * 0,1 m. Der Kettenförderer läuft mit 2 m/min während 2000 Stunden pro Jahr. Die 3000 Tonnen Blech haben eine Oberfläche von 300'000 m2. Ein durchschnittliches Teil ist 6 kg schwer und hat eine Oberfläche von 0,6 m2.

 
Energieverbraucher in einer Pulverbeschichtungsanlage

Diese Anlage benötigt im Schnitt 110 kW Elektrizität und 65 l/h (650 kW) Heizöl. Der Wärmeverbrauch ist also rund sechsmal höher als der Stromkonsum. Elektrizität wird in allen Anlagenteilen gebraucht, sie ist etwa dreimal teuerer als Heizöl.

Energieverbrauch (pro Jahr) Kosten
Elektrizität  220'000 kWh CHF 30'000.--
Heizöl 130'000 Liter => 1'300'000 kWh  CHF 45'000.--
Total 1'500'000 kWh CHF 75'000.--

Die Elektrizität macht nur 15% des Energieverbrauchs aber 40% der Energiekosten aus.

Für die Beurteilung der Energieeffizienz von Pulverbeschichtungsanlagen eignet sich der spezifische Energieverbrauch (Energie pro beschichtete Oberflächeneinheit). Dieser ist in der beschriebenen Anlage 5 kWh/m2. Auf die Energiekosten bezogen sind das 0.25 CHF/m2.

Aufteilung des Energieverbrauchs in einer Pulverbeschichtungsanlage. Die Vorbehandlung braucht am meisten Energie.

Der theoretische Energiebedarf für die Erwärmung der Teile ist 10 mal geringer. Die Gründe für die Abweichung sind:


Lastmangement und Stromkosten

Das Elektrizitätswerk verrechnet nicht nur die gelieferte Energie, sondern auch die pro Quartal bezogene maximale Leistung während einer Viertelstunde. Pro Jahr kostet das Kilowatt Leistung etwa 100 bis 200 Franken, etwa gleichviel wie 1 kW während 2000 Stunden zum Arbeitstarif. Um den gleichzeitigen Betrieb von vielen elektrischen Verbrauchern zu vermeiden, kann mit einer elektronischen Steuerung ein Lastmanagement betrieben werden. Dieses Gerät erfasst die momentane Leistung und sperrt ab einer einstellbaren Schwelle die Verbraucher mit niedriger Priorität. Mit einem Blockheizkraftwerk kann nebst zusätzlicher elektrischer Leistung auch Wärme für die Vorbehandlungsanlage bereitgestellt werden.

Anlagenlayout

Die warmen Anlagenkomponenten sollten zusammengebaut werden. Idealerweise ist die Vorbehandlungsanlage über dem Ofen angeordnet.

Nebst dem Arbeits- und Leistungstarif wird vom Elektrizitätswerk auch noch ein Blindleistungstarif in Rechnung gestellt. Induktive Verbraucher wie Asynchronmotoren benötigen Blindleistung (kVarh). Wenn die Jahreskosten für Blindleistung 1000 Franken übersteigen lohnt sich die Anschaffung einer Kompensationsanlage.


1. Beispiel: Anlagenlayout

Bei der Planung von Pulverbeschichtungsanlagen kann durch eine geschickte Anordnung die Wärmekaskade unterstützt werden, indem die Vorbehandlungsanlage über oder wenigstens neben dem Ofen angeordnet wird. Bei einer solchen Anordnung wird der Wärmeverlust über eine Ofenfläche direkt genutzt und die gemeinsame Oberfläche ist geringer (verdichtetes Bauen). Die steigende Abwärme des Ofens wärmt die darüber liegenden Vorbehandlungsanlage.

Lastprofil
Beispiel eines Lastprofils einer Pulverbeschichtungsanlage.

Mit einer zusätzlichen Vorzone vor der Reinigungskaskade kann die austretende feuchte Luft für die Anwärmung der Teile genutzt werden. In einer Nachzone oder einer Schleuse beim Trockner und Ofen wird die Abwärme noch auf relativ hohem Temperaturniveau abgesogen. In diesen Bereichen ist der Luftströmung um die Fördereinrichtung besondere Beachtung zu schenken.

Die noch unbeschichteten Teile sollten in der Nähe der Kühlzone der beschichteten Teile sein. Mit einer entsprechenden Anordnung und Hallenluftführung kann der Wärmeübergang verbessert werden.


2. Beispiel: Automatisch Abschalten

Die einfachste und günstigste Energiesparmöglichkeit ist das Abschalten von nicht benötigten Anlageteilen. So einfach diese Massnahme auch sein mag, so selten wird sie angewendet. Nebst der Bequemlichkeit und Vergesslichkeit der Beschichter ist in vielen Steuerungen die Betriebsart "Standby" nicht vorgesehen. Mit Lichtschranken können bei Gehängelücken die Vorbehandlungsanlage und die Pulverbeschichtungskabine automatisch ab- und eingeschaltet werden. Aus dieser einfachen und günstigen Massnahme resultiert nicht nur eine Energieeinsparung sondern auch ein geringerer Anlagenverschleiss.

Beispiel: Eine automatische Pulverbeschichtungsanlage für diverse Möbelteile mit 22 kW Leistungsaufnahme und einem Druchluftverbrauch von 150 Normkubikmeter pro Stunde. Durch eine Lichtschranke am Kabineneingang wird die Anlage automatische ab- und eingeschaltet bei leeren oder vollen Teile-gehängen. Die Kosten liegen bei 880 Franken. Dadruch werden Jahresenergiekosten um 2000 Franken eingespart und zusätzlich ist der Anlagen- und Kompressorverschleiss geringer.


3. Beispiel: Isolation

Bei Neubauten und Sanierungen von Gebäuden ist eine gute Wärmedämmung der Aussenhülle (durchschnittlich 10 cm dick) auch bei den heutigen Energiepreisen rentabel. Die Wärmeverluste sind das Produkt aus: Oberfläche, Isolationsdicke, Temperaturdifferenz und Wärmeleitfähigkeit des eingesetzten Isolationsmaterials. Zusätzlich gibt es Verluste durch Wärmebrücken (Verstrebungen, Durchführungen) und Lecks. Eine gute Wärmedämmung ist auch in Lackierungsanlagen rentabel, besonders bei den hohen Temperaturdifferenzen.

In neueren Gebäuden sind alle Leitungen, welche warmes Wasser führen, gut isoliert. In vielen Vorbehandlungsanlagen vermisst man diese Isolationen. Sie sind teilweise angebracht worden, um die Beschichter vor Verbrennungen zu schützen. "Vielleicht ging man bei der Planung davon aus, dass in der Anlage schon soviel Energie gebraucht wird, dass diese Verluste keine Rolle mehr spielen. Die Öl- oder Gasrechnung bezahlt ja der Kunde und die Isolation würde die Anlage nur unnötig verteuern". In einer Pulverbeschichtungsanlage ist aber eine Kilowattstunde Wärme gleich teuer wie zuhause.


Mit der Isolation von warmen Leitungen und Armaturen kann mit wenig Aufwand viel Energie gespart werden.


4. Beispiel: Temperaturabsenkung

Oft wird man mit der Meinung konfrontiert, dass das Wiederaufheizen der Vorbehandlungsanlage oder des Ofens mehr Energie braucht, als diese auf Temperatur zu halten. Diese Meinung ist falsch, sonst dürfte man ja einen Ofen nie abschalten. Je geringer die Temperaturdifferenz zwischen geheizter Anlage und der Umgebung ist, desto weniger Heizleistung ist nötig.

Je geringer die Ofentemperatur ist, desto weniger Heizleistung wird benötigt.

Wenn bei einem kurzen Produktionsunterbruch der Ofen abgeschaltet wird, so fällt seine Temperatur langsam. Bei der Fortsetzung der Produktion muss der Ofen erst beim ersten Teil wieder auf Nenntemperatur sein. Eine gute Anlagen- und Ofensteuerung hat das richtige Timing. Je früher die Steuerung "weiss", wann wieder ein Teil "kommt" und je höher die Brennerleistung ist, desto tiefer kann die Temperatur abgesenkt werden. Ein zu stark überdimensionierter Brenner hat aber einen schlechteren Wirkungsgrad im normalen Ofenbetrieb.

Je nach Brennerleistung und Isolation ist der Ofen viel schneller aufgeheizt als ausgekühlt.


5. Beispiel: Abwärmenutzung

Trotz allen Energiesparmassnahmen entsteht in einer Pulverbeschichtungsanlage noch viel Abwärme. Im Deckenbereich einer gut isolierten Halle kann die warme Luft abgesaugt werden. Mit einem Wärmetauscher wird die Energie in ein Warmwassersystem gebracht und steht für Niedertemperaturheizungen zur Verfügung. Im Sommer ist das Gebäude gut gegen die Aussenwärme isoliert und das Lüftungssystem kann mit einem Kontaktbefeuchter als einfache Klimaanlage wirken.

Die Brenner haben eine höhere Leistung, wenn sie mit warmer Luft betrieben werden. Zusätzliche Wärme kann auch mit einer Sonnenkollektoranlage gewonnen werden.

Abwärmenutzung in einer Lackieranlage.


6. Beispiel: Öffnungen und Luftführung

Eine Pulverbeschichtungsanlage ist für das grösste zu beschichtende Teil ausgelegt. Im Betrieb sind dann aber diese Teile selten anzutreffen. Die Öffnungen der Vorbehandlungsanlage und des Ofens sind für den Normalbetrieb zu gross. Mit Blechelementen und automatischen Türen können die Durchlauföffnungen der Teilegrösse angepasst werden. Dadurch wird der Wärmeaustrag durch die Luft reduziert.

Die Abluftmenge der Beschichtungskabine ist so gross eingestellt, dass durch die Kabinenöffnungen kein Pulver austreten sollte. Mit Führungsblenden kann die dazu erforderliche Luftgeschwindigkeit reduziert werden. Zusätzlich können die Kabinenöffnungsflächen verkleinert werden. Eine um 30% geringere Abluftmenge reduziert die erforderliche Ventilatorleistung um mehr als 60%.


Der Abluftbedarf von Pulverbeschichtungskabinen hängt von der Grösse der Kabinenöffnung ab. Die Reduktion von 15'000 m2/h auf 10'000 m2/h senkt die jährlichen Stromkosten von CHF 4500 auf CHF 1800.

Bei Kabinensystemen mit Zyklonabscheider darf die Abluftmenge nicht stark reduziert werden. Für die grossen Teile könnte aber ein zweiter Zyklon oder ein grösserer zugeschaltet werden. Bei der Abluftmenge ist auch darauf zu achten, dass sich keine zündfähige Pulver-Luftkonzentration bilden kann (Richtwert pro Austragungseinheit: 500 bis 1000 m3/h).


7. Beispiel: Volumenförderung

In einer Pulverbeschichtungsanlage befinden sich viele Pumpen und Gebläse, welche mit einem Elektromotor angetrieben werden. Bei diesen Volumenfördereinrichtungen nimmt der Leistungsbedarf mit der dritten Potenz des Förderstromes zu. Der Betriebspunkt dieser Aggregate wird oft mit Drosselklappen oder Bypassventilen eingestellt, was einer Energievernichtung gleich kommt. Wird der Förderstrom über die Drehzahl eingestellt, ist viel weniger Motorleistung nötigt.


Leistungsvergleich für eine Volumenstromreduktion mit Drosselklappe und drehzahlvariablem Motor.

Bei einem festen Einstellwert wird durch die richtige Wahl des Riemenscheiben-Durchmessers ohne Mehrkosten ein guter Wirkungsgrad erreicht. Bei variablen Einstellwerten kann mit einem Frequenzumrichter die Motordrehzahl stufenlos verändert werden.

Wirtschaftlichkeit: Wenn ein Ventilator mit 11 kW Anschlussleistung nur 75% des Volumenstroms liefern muss, braucht er mit einer Drehzahlanpassung 4 kW weniger Leistung als mit einer Drosselklappe. Bei 2000 Betriebsstunden pro Jahr ist das eine Einsparung von 1000 Franken. Ein 11 kW Frequenzumrichter kostet 4000 Franken und macht sich somit in etwa 4 Jahren bezahlt.


8. Beispiel: Energiesparmotor

Für verschiedene Aggregate wie Ventilatoren, Pumpen und Motoren gibt es energieeffiziente Ausführungen. Diese Modelle sind meistens etwas teurer und werden aus diesem Grund wenig eingesetzt. Wenn man die Energiekosten beim Einkauf berücksichtigt, sind die günstigen Komponenten oft die Kostspieligeren. Bei 2000 Jahresbetriebsstunden und 5 Jahren Abschreibungsdauer kann für jedes eingesparte Watt elektrische Leistung Franken investiert werden, bei Dauerbetrieb sogar 5 Franken.

Wenn die Komponenten sorgfältig dimensioniert werden, denn Überdimensionierung hat nichts mit Qualität zu tun, kann nebst der günstigeren Investition auch noch ein besserer Wirkungsgrad erwartet werden.

Wirtschaftlichkeit: Ein 35 kW Radialgebläse für die Hallenabluft läuft 2000 Stunden pro Jahr. Ein Motor, welcher 94% statt 90% Wirkungsgrad hat, kostet 400 Franken mehr. Pro Jahr werden aber statt 70'000 kWh nur 67'000 kWh benötigt. Bei 15 Rappen pro kWh beträgt die jährliche Einsparung 450 Franken.


Tips für Neuanlagen

Bei der Planung einer Beschichtungsanlage ist die Bestimmung der Anforderungen der erste wichtige Schritt. Folgende 4 Punkte sind dabei zu beachten:

Der zweite Schritt ist die System- und Lieferantenauswahl. Folgende 3 Hinweise sollen dabei helfen:


Zusammenfassung

Die Energiesparmassnahmen in Lackierungsanlagen lassen sich mit den folgenden 7 Stichworten zusammenfassen:

  1. System: Energieoptimale Anordnung wählen
  2. Steuerung: Abschalten oder Reduzieren
  3. Isolation: Alles was wärmer als 30 °C ist
  4. Abwärme: Nutzung der Wärme (Kaskade ...)
  5. Auslegung: Überdimensionierung kostet Geld
  6. Komponenten: Wirkungsgrad im Betriebsbereich
  7. Unterhalt: Bedingung für Zuverlässigkeit

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 © GLOOR ENGINEERING, CH-7434 SUFERS, 18. JULI 1996