GalvanikEffizienzmaßnahmen in der Galvanotechnik

Die Absenkung der Ventilatorleistung führt zu Energieeinsparungen in der Gebäudeinfrastruktur. In der Abbildung ist die elektrische Leistung bei 7 m/s des Abluftventilators über knapp 2,5 h aufgetragen. Die Absenkung kann durch eine Frequenzregelung des Ventilatormotors realisiert werden. Die Absenkung der Motorfrequenz der Zu- und Abluft von 46 Hz auf 32 Hz außerhalb der Betriebszeit von 20 Uhr bis 6 Uhr führt zu elektrischen Energieeinsparungen von 9.030 kWh/a. Mit einem Strompreis von 15 ct/kWh können durch die Maßnahme jährlich circa 1.500 € eingespart werden. Weiter zu berücksichtigen sind der minimal erforderliche Luftwechsel und die Verdunstungsverluste der Prozessbäder. Diese können die erwartete Einsparung gegebenenfalls reduzieren.

Lohnt sich besonders für:

• Unternehmen mit kontinuierlichem Ventilator-Betrieb oder
• regelbaren Ventilatoren mit bspw. Frequenzumrichtern oder Zeitschaltuhr.

Umwälzpumpen sind ein integraler Bestandteil der Prozessinfrastruktur. Deshalb wurden Pumpen mit unterschiedlichen Effizienzklassen von Antriebsmotoren (IE1 bis IE4) verglichen. Angenommen wurde eine Referenzanlage mit einem Behältervolumen von 1 m3, Umwälzung von viermal pro Stunde, Dauerbetrieb bei 8760 h/a, eine Wellenleistung an der Pumpe von 0,2 kW sowie ein Pumpenwirkungsgrad von 80 %. Der Auslegungspunkt ist auf 75 % der Nennleistung definiert. In der Abbildung sind die Energiemengen mit Drossel- und Frequenzregelung dargestellt, sowie zusätzliche Effizienzmaßnahmen wie Wartung und bedarfsgerechte Auslegung von 7 % Effizienzsteigerung berücksichtigt. Wird von einer Drosselregelung mit IE 1- Motor auf einen effizienteren Motor mit Frequenzregelung umgerüstet, sind Einsparungen von bis zu 50 % möglich. Dies entspricht pro Jahr einer elektrischen Energiemenge von etwa 1500 kWh beziehungsweise bei angenommenen Kosten von 18 ct/kWh einem Betrag von 270 Euro pro Behälter beziehungsweise pro Pumpe.

Die Maßnahme lohnt sich insbesondere bei:

• Umwälzpumpen der Effizienzklassen IE1, IE2 und IE3
• Umwälzungen mit Drosseln oder Umwälzpumpen ohne Frequenzumrichter

Der Anteil der Gleichrichter am Gesamtenergieverbrauch einer Anlage beträgt rund 30% und kann bei besonders stromintensiven Verfahren wie der Hartchromverchromung bis circa 80% des Gesamtverbrauchs erreichen.

Der für die Beschichtung notwendige elektrische Energieverbrauch berechnet sich als Produkt aus der Stromstärke, der Spannung und der Beschichtungszeit. Für das Erreichen einer vorgegebenen Schichtdicke sind der Strom und die Beschichtungszeit als konstant anzusehen. Um den Energieverbrauch zu senken, bleibt damit nur die Reduzierung der Spannung. Dies kann aus verfahrenstechnischer Sicht über eine Verbesserung der Elektrolytleitfähigkeit erreicht werden, da der Spannungsabfall zwischen Anode und Kathode besonders hoch ist.

Beim besonders energieintensiven Hartanodisieren ist die Erhöhung der Elektrolytleitfähigkeit eine effektive Maßnahme, den Energieverbrauch zu senken. Das Fraunhofer IPA hat ein Pulsanodisationsverfahren entwickelt, bei dem die Klemmspannung durch eine Erhöhung der Elektrolyttemperatur bei gleichbleibend guten Schichteigenschaften deutlich gesenkt werden konnte. Gleichzeitig reduziert sich die benötigte Kühlenergie.

Zusätze, die die Leitfähigkeit des Elektrolyten erhöhen sind genau wie eine sorgfältige Wartung des Elektrolyten wichtige Maßnahmen zur Reduzierung von Spannungsverlusten im Elektrolyt.

Neben einer verbesserten Leitfähigkeit ist für manche Anwendungen die Nutzung von Elektrolyten mit höherer Stromausbeute eine weitere Möglichkeit zur Energieeinsparung. Bei der Hartverchromung lassen sich beispielsweise durch den Einsatz von Hochleistungselektrolyten unter üblichen Bedingungen Wirkungsgrade bis ca. 25% erreichen (rein schwefelsauer nur bis ca. 18%).

Besonders lohnenswert:

• Stromintensive Verfahren wie die Hartverchromung und das Hartanodisieren
• Hohe Anschlussleistungen der Gleichrichter

Gleichrichter wandeln den Wechselstrom aus dem elektrischen Netz in Gleichstrom für die Abscheidung um. In der Galvanotechnik kommen Stelltransformatoren, Thyristorgleichrichter oder Schaltnetzteile zum Einsatz. Je nach Auslastung und eingesetztem Prozess können durch
– Modernisierung
– eine optimale Positionierung der Gleichrichter innerhalb der Fabrik
– und durch Reduzierung der Leitungsverluste durch Vergrößerung des Leitungsquerschnitts,

Einsparungen in Höhe von 7% und 20% realisiert werden. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, die anfallende Wärme am Gleichrichter für andere Prozesse oder für die Raumluft wiederzuverwenden. Auch ist das Potenzial stark abhängig von dem Prozess, der Auslastung und der zuvor getätigten Effizienzmaßnahmen. Hier liegt das Wärmerückgewinnungspotenzial zwischen 9 und 14%.

Lastmanagement und die Flexibilisierung von Produktionsprozessen spielt heute schon und wird auch in Zukunft eine wichtige Rolle spielen. Die Stromnetzentgelte setzen sich aus zwei Komponenten zusammen: Nämlich zum einen aus dem Arbeitspreis, welcher vom Energieverbrauch abhängt und in € pro kWh berechnet wird, und zu anderem vom Leistungspreis. Wie hoch die Kosten des Leistungspreises sind ist abhängig wie viel Energie innerhalb einer Viertelstunde vom Netz bezogen wird. Der Leistungspreis wiederum wird in € pro kW kalkuliert. Dabei können die Leistungspreisentgelte je nach Region und Netzbetreiber stark variieren. Mit einem funktionierenden Spitzenlastmanagement können pro nicht verursachtem kW zwischen 80€ und 140€ eingespart werden. Diese Möglichkeit der Reduktion kann sowohl technologisch, als auch organisatorisch angegangen werden. Auf der technologischen Seite können Speicher, PV-Anlagen, hybride Anlagen, BHKWs, etc. eingesetzt, oder durch eine optimierte Produktionsplanung oder gezieltem Abschalten können solche Leistungsspitzen reduziert werden.

Die Maßnahme lohnt sich insbesondere bei:

• Hohen wenigen Lastspitzen
• Flexiblen Produktionsprozessen
• Energieintensiven Peripherieprozessen

Downloads

• Bundesnetzagentur
• Dena

Der elektrische Energieverbrauch des Gleichrichters ist das Produkt aus Wirkungsgrad, Beschichtungsstrom, der Spannung und der Beschichtungszeit. Eine Verringerung des Gleichrichterverbrauchs lässt sich am besten durch die Vermeidung von Spannungsverlusten erzielen. Bei der elektrischen Zuleitung vom Gleichrichter zum Beschichtungsbad gibt es mehrere Möglichkeiten die ohmschen Widerstände zu reduzieren, dabei sind vor allem Kontaktstellen zwischen Kontaktbock und Warenträger, Warenträger und Gestell oder auch Gestell und Bauteil zu sehen. Ebenso hat die korrekte Auslegung der Leitungen vom Gleichrichter zum Bad eine große Bedeutung, da hier unnötige Verluste entstehen können.
Aufgrund der korrosiven Medien in der Galvanotechnik, die zu Verschmutzung und Korrosion führen können, spielt eine regelmäßige Reinigung und Wartung von Kontaktstellen eine wichtige Rolle bei der Reduzierung von Spannungsverlusten. Mit geringem Aufwand lassen sich hier meist gute Erfolge erzielen.
Lohnt sich besonders:

• Die Wartung und Pflege von Kontaktstellen lohnt sich bei allen galvanischen Prozesse
• Eine Optimierung der Stromzufuhr lohnt sich besonders bei energieintensiven Prozessen wie der Hartverchromung und dem Hartanodisieren von Aluminium

Die meisten galvanischen Verfahren werden bei einer definierten Temperatur betrieben. Abhängig von dieser Solltemperatur muss dem Elektrolyten Wärme oder Kälte zugeführt werden, um den Wärmeaustausch mit der Umgebung zu kompensieren.
Der Wärmedurchgang an Behälterwänden und Rohrleitungen kann durch die Anbringung von thermisch isolierenden Materialien kostengünstig minimiert werden. Auf diese Weise werden Strahlung und Konvektion an den Oberflächen reduziert und der Energiebedarf gesenkt.
An der Badoberfläche treten ebenfalls Wärmeverluste durch Strahlung auf, zusätzlich jedoch bei ansteigender Temperatur in entscheidendem Maße auch durch Verdunstung. Eine Reduzierung ist durch die Verwendung von Schwimmkugeln auf der Badoberfläche oder die Abdeckung des Bads durch einen Deckel möglich. Die Deckelung eines Bades bietet dabei den zusätzlichen Vorteil, dass die Absaugleistung bei geschlossenem Deckel reduziert werden kann, wodurch nicht nur geringere Verdunstungen, sondern auch eine Reduzierung der Leistungsaufnahme in der Abluft erzielt werden kann.

Die Maßnahme lohnt sich insbesondere bei:

• Bädern mit höherer Temperatur (ca. > 40°C)
• Gekühlten Elektrolyten mit Solltemperatur unterhalb Raumtemperatur

Eine Deckelung des Behälters empfiehlt sich zusätzlich in allen Temperaturbereichen bei Verfahren, welche stark abgesaugt werden müssen (Reduzierung der benötigten Mindestabluftmenge möglich).

Bei elektrochemischen Verfahren stellt eine homogene Beschichtung mit gleicher Schichtdicke an allen Bauteilbereichen besonders bei der Stückbeschichtung auf Gestellen eine Herausforderung dar. Durch die Geometrie der Bauteile, die Positionierung auf dem Gestell, Anordnung von Anoden und Behältergeometrie sowie elektrochemische und hydrodynamische Einflüsse stellt sich eine unterschiedliche lokale Stromdichte sowohl auf den Bauteilbereichen eines Teils als auch zwischen den Bauteilen auf einem Gestell ein. Da zumeist aus funktionalen oder dekorativen Gründen eine Mindestschichtdicke gefordert ist, entstehen an Bereiche mit einer lokal hohen Stromdichte deutlich erhöhte Schichtdicken. Diese Überbeschichtung benötigt elektrische Energie zur Schichtbildung und verbraucht unnötig Schichtmaterial.
Eine Verbesserung der Beschichtungsbedingungen kann über die Optimierung der primären Stromdichteverteilung, z. B. über eine veränderte Positionierung von Bauteilen oder Anoden und die Nutzung von Blenden erreicht werden (welche beispielsweise über Berechnungen mittels Simulationssoftware ermittelt werden kann). Durch eine Optimierung kann die Differenz zwischen minimaler und maximaler lokaler Stromdichte verringert werden, so dass die Überbeschichtung reduziert wird. Wird die minimale lokale Stromdichte dabei erhöht, kann als positiver Nebeneffekt ggfs. die Beschichtungszeit verringert werden, da die Mindestschichtdicke früher erreicht wird.
Die Verwendung von leitenden Blenden (Stromfängern) ist aus energetischer Sicht nicht sinnvoll (Energie und Materialverbrauch, sowohl für Beschichtung als auch für Entschichtung / Wartung) und sollte vermieden werden, sofern nicht aus funktionalen Gründen zwingend notwendig.

Die Maßnahme lohnt sich insbesondere bei

• Gleichen / ähnlichen Teilen mit hohen Stückzahlen
• Schlechter Streufähigkeit des Elektrolyten (wie z. B. Chrom)
• Hohen Schichtdicken
• Hohem Aufwand für Nachbearbeitung