Vorhandenes Energiepotenzial nachhaltig nutzen

Die SFS Group ist ein weltweit führendes Unternehmen für applikationskritische Präzisionskomponenten und Baugruppen, mechanische Befestigungssysteme, Qualitätswerkzeuge und Bewirtschaftungslösungen. Für die Kühlung von Produktionsprozessen verwendet das Unternehmen an seinem Standort in Heerbrugg Grundwasser aus einer firmeninternen Grundwasserfassung. Das Kühlwasser wird anschließend in einem Wasserbecken mit einem Fassungsvermögen von 80 m3 aufgefangen, bevor es in einen nahegelegenen Fluss zurückgeleitet wird. Um die Energie der industriellen Abwärme nicht ungenutzt zu lassen und die Gesamtenergieeffizienz zu erhöhen, sollte eine Wasser-Wasser-Wärmepumpe umgesetzt und in das bestehende Heizsystem für die Gebäudeheizung integriert werden. Die SFS Group erhöht Schritt für Schritt den Anteil erneuerbarer Energien im Unternehmen, um ihre CO₂-Emissionen zu reduzieren. „Für das Projekt brauchten wir einen Partner, der das Know-how für die komplette Planung und Ausführung der Wärmepumpenanlage mitbringt“, sagt Claudio Winter, Bereichsleiter Infrastruktur bei der SFS Group.

Individuelles Anlagenkonzept gefragt
Für die technisch-ökonomische Realisierung der Wärmepumpe unter Berücksichtigung der spezifischen Kundenanforderungen kam es auf ein maßgeschneidertes Anlagenkonzept an. „Uns ist es wichtig, Synergien bestmöglich zu nutzen“, sagt Marc Grünig, Geschäftsleiter bei Scheco. Das Herzstück der Anlage ist der Kompaktschraubenverdichter der CSV Serie von BITZER, der für eine hohe Effizienz bei einer kompakten Baugröße sorgt.
Die Anforderung des Kunden war es, die neue Wärmepumpe in das bestehende Heizsystem zu integrieren und dabei eine klare Priorisierung der Energiequellen zu berücksichtigen. Bisher wurden die Gebäude auf dem Areal von vier Gas-/Ölheizkesseln sowie durch die Wärmerückgewinnung aus der Abwärme der Drucklufterzeugung mit der benötigten Heizwärme versorgt. Für die Gebäudeheizung wird nun in einem ersten Schritt die aus der Druckluft erzeugte Wärme vollständig genutzt, bevor die Wärmepumpe bedarfsgesteuert zum Einsatz kommt. Erst bei einem hohen Bedarf wird die fossile Wärmeerzeugung dazugeschaltet. Diese Priorisierung gewährleistet die ideale Ausnutzung der vorhandenen Energiequellen auf dem Betriebsareal.

Umweltfreundliche Alternative zur fossilen Wärmeerzeugung
Das Auffangbecken für das Kühlwasser aus der Produktion, welches als Quelle für die Wärmepumpe dient, befindet sich im Untergeschoss eines anderen Gebäudes als die Heizzentrale, in der die Wärmepumpe aufgestellt ist. Entscheidend für die Auslegung der Wärmepumpe war die eingehende Analyse der Quelle unter Beachtung der variierenden Volumenströme auf der Primärseite aufgrund von unterschiedlichen Produktionsmaschinen, die sich gerade im Einsatz befinden und Kühlwasser benötigen. Im Sommer 2023 wurde das Auffangbecken für die Integration in den Wärmequellenkreislauf mit einem Schichtblech, einer Umwälzpumpe und Temperaturfühlern ausgestattet. Es wurde zudem hydraulisch über zwei Plattenwärmeübertrager in den Zwischenkreislauf integriert.

Für die Anbindung zur Heizzentrale konnte auf eine bestehende Fernleitung zurückgegriffen werden, die bereits mit der Errichtung des Gebäudes, in dem sich das Wasserbecken befindet, vorbereitend für zukünftige Projekte unter der Straße verlegt wurde. Das Wasser des Zwischenkreislaufs gelangt so in den Plattenverdampfer der Wärmepumpe, der dem Wasser Wärme entzieht und auf das Kältemittel überträgt. Für die Auswahl der Anlagenkomponenten der Wärmepumpe war entscheidend, dass dieses Projekt sowohl eine variable Quelle als auch unterschiedliche Betriebsarten auf Seiten der Wärmesenke erforderte. Daher muss sichergestellt werden, dass die Wärmepumpe auch unter stark wechselnden Betriebsbedingungen zuverlässig die benötigte Heizleistung liefert. Das Herzstück der Anlage ist dabei der Verdichter. „Bei der Modulation hat sich klar ergeben, dass der Einsatzbereich und die Regulierung des Verdichters variabel gestaltet werden muss“, erklärt Marc Grünig. So fiel die Wahl auf einen Kompaktschraubenverdichter der CSV Serie von BITZER, der sich durch einen weiten Leistungsmodulationsbereich auszeichnet. „Neben der Qualität der Produkte haben wir uns auch aufgrund der langjährigen guten Zusammenarbeit für BITZER entschieden“, so Marc Grünig. Der sauggasgekühlte Einbaumotor sowie der integrierte, kältemittelgekühlte Frequenzumrichter sind optimal aufeinander abgestimmt und vereinen Effizienz mit Kompaktheit. Zudem verfügt der Verdichter über ein schnelllaufendes Schraubenprofil, das mithilfe modernster Strömungssimulationen entwickelt wurde und Drehzahlen bis zu 6400 1/min erlaubt. Die kontinuierliche Kältemittelkühlung der Leistungselektronik des integrierten Frequenzumrichters stellt einen zuverlässigen und sicheren Betrieb der Anlage sicher. Zudem verfügt die CSV Serie über eine automatische Vi-Anpassung an die herrschenden Systembedingungen wie die gegebenen Druckverhältnisse im jeweiligen Betriebspunkt, wodurch der Verdichter jederzeit im optimalen und damit effizienten Bereich betrieben wird.

Auf der sicheren Seite
Angesichts des Aufstellungsortes und der strengen sicherheitstechnischen Anforderungen wurde beschlossen, die Anwendung mit einem A2L-Niedrig-GWP-Kältemittel zu betreiben. Um den Vorgaben gerecht zu werden, entwickelte Scheco ein kundenspezifisches Sicherheitskonzept für die Wärmepumpe. Dabei befinden sich alle kältemittelführenden Anlagenteile in einem speziell abgetrennten Raum innerhalb des Maschinenraums. Dieser Raum ist mit Schutzeinrichtungen wie einer Gaswarnanlage und einer Lüftung ausgestattet. Die Steuerung erfolgt über den Sicherheitsschaltschrank außerhalb dieses Raumes, der im Falle einer Kältemittelundichtigkeit die Lüftung in Betrieb setzt und alle Komponenten der Wärmepumpe von der Spannungsversorgung trennt. Diese baulichen Gegebenheiten erforderten besonders kompakte Anlagendimensionen, die der CSV Verdichter dank seines integrierten Frequenzumrichters sowie des sauggasgekühlten Motors ermöglicht. Um für Auswertungen und Optimierungen jederzeit auf detaillierte Betriebsdaten des Verdichters zugreifen zu können, ist dieser außerdem über ein Gateway im Schaltschrank an das BITZER Digital Network (BDN) angeschlossen. Der Zugriff ist für Scheco jederzeit über die Online-Plattform myBITZER möglich.

Nicht nur ein Plus für die Umwelt
Die neue Wärmepumpe bei der SFS Group liefert eine Heizleistung von bis zu 930 kW und kann Heizwassertemperaturen bis +75 °C für die Beheizung der Gebäude auf dem Areal zur Verfügung stellen. Ein Beispiel, wie industrielle Abwärme in nutzbare Heizenergie umgewandelt werden kann. Diese Leistung ermöglicht es der SFS Group künftig, einen fossilen Öl-/Gas-Kombinationsheizkessel vollständig mit der Wärmepumpe zu ersetzen. „Das Projekt verdeutlicht, dass in Industriebetrieben ein großes Potenzial an Energien vorhanden ist, um die Dekarbonisierung voranzutreiben“, resümiert Marc Grünig. Mit einem effizienten COP erweist sich das klimafreundliche System auch als wirtschaftlich attraktive Alternative. Zudem konnte die SFS Group für die Investition in die Anlage eine Förderung des Schweizer Bundesamts für Energie in Anspruch nehmen. Das Unternehmen zeigt sich insgesamt sehr zufrieden mit dem Projektverlauf und hofft, dass sich ähnliche Konzepte zur Abwärmenutzung in industriellen Kontexten mehr und mehr etablieren.

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