So wird die Stickstoffproduktion nachhaltiger

Artikel Produktion Nr.4/2021

Innovative Lösungen ermöglichen Umweltschutz und Wirtschaftlichkeit zugleich

Neben der wirtschaftlichen Leistungsfähigkeit rückt Nachhaltigkeit zunehmend in den Fokus der Unternehmen. Immer öfter finden energiesparende Verfahren Eingang in die unternehmerische Praxis, um die Umwelt und das Klima zu schonen. Doch darüber hinaus bietet der Einsatz nachhaltiger Prozesse auch wirtschaftliche Vorteile. So können durch die Verwendung energiesparender Wasserstoff- und Wärmerückgewinnungs-Technologien im Rahmen der Eigenproduktion von Stickstoff (N₂) nicht nur Betriebskosten in signifikantem Umfang gespart werden. Auch die Inanspruchnahme von staatlichen Fördergeldern wird so ermöglicht.

Stickstoff wird als Inert- und Prozessgas in zahlreichen Industrien zur Vermeidung von Oxidationen, Bränden und Explosionen verwendet. Dabei ist die Produktion des Gases direkt vor Ort eine sehr kostengünstige und umweltfreundliche Möglichkeit. Sie erlaubt die 24/7-Bereitstellung jeder gewünschten Menge N₂ und schützt die Unternehmen vor Lieferengpässen. Die hierfür genutzten Stickstoffgeneratoren trennen mit Hilfe des PSA (Pressure Swing Adsorption)-Verfahrens die N₂-Moleküle aus der Umgebungsluft von den Sauerstoffmolekülen und verbrauchen selbst nur eine sehr geringe Menge Strom (150 W). Für die N₂-Produktion wird jedoch Druckluft benötigt. Diese wird von Druckluft-Kompressoren erzeugt, welche die Luft verdichten und an den Generator weitergeben. Der Prozess der Drucklufterzeugung ist mit Verlusten behaftet da ein Großteil der zugeführten Energie als Wärme abgegeben wird. Obwohl das Verfahren im Vergleich zu Flüssigstoff-Lieferung bereits deutliche Kostenvorteile aufweist, bietet sich an dieser Stelle ein geeigneter Ansatzpunkt, die Produktion weiter zu optimieren und die Effizienz der Energienutzung zu steigern.

Nachhaltiges Handeln sichert die Zukunft

Deutsche Unternehmen haben erkannt, dass eine nachhaltige Produktion großen Einfluss auf deren Wettbewerbsfähigkeit hat. Sie übernehmen oftmals im Sinne der Corporate Social Responsibility (CSR) die Verantwortung für nachhaltiges Wirtschaften. Dazu gehören auch Investitionen zum sparsamen Einsatz natürlicher Ressourcen und zum Schutz der Umwelt. Diese Investitionen in umweltschonende Technologien binden zunächst Mittel, der Einsatz zahlt sich jedoch aus. So wird durch die Reduktion von Kohlendioxid (CO₂)-Emissionen im Rahmen der Produktion ein Beitrag zur Vermeidung der anthropogenen Klimaänderung geleistet. Darüber hinaus profitieren diese zukunftsorientierten Unternehmen wirtschaftlich von ihrem nachhaltigen Handeln. Hier ist vor allem die Einsparung von Energiekosten zu nennen. Durch die Einhaltung von Umweltauflagen minimieren sich zusätzlich Ausgaben für Öko- und Energiesteuern oder für den Kauf von Umweltlizenzen. Ein weiterer wirtschaftlicher Anreiz liegt in der staatlichen Bezuschussung von Investitionen in energiesparende Technologien. Und schließlich lohnt sich das Engagement, da immer mehr Unternehmen das CSR-Profil ihrer Partner- und Zulieferunternehmen unter die Lupe nehmen und Kunden zunehmend auf die Nachhaltigkeit ihrer gekauften Produkte achten. Umweltverträglichkeit wird so zum Wettbewerbsfaktor.

Energieeinsparung durch Wasserstoff und Wärmerückgewinnung

Wie können nun Unternehmen bei der Stickstoffproduktion Energie und somit Kosten und CO₂ einsparen? Inmatec bietet integrierte Lösungen, die dabei helfen den Primärenergiebedarf bei der Erzeugung von N₂ deutlich zu reduzieren.

Mit Hilfe einer innovativen Wasserstoff-Technologie kann der Druckluftbedarf bei der N₂-Erzeugung gesenkt werden. Dazu wird Umgebungsluft über einen Druckluftkompressor in den N₂-Generator geleitet, der die Sauerstoff- sowie Kohlendioxidmoleküle aus der Luft herausfiltert. Der so gewonnene Stickstoff, der eine Qualität von 2.5 bis 3.0 besitzt, wird in einem Wasserstoffkatalysator mit Kleinstmengen von Wasserstoff angereichert. Durch die Reaktion mit dem Restsauerstoff wird der Stickstoff auf eine Qualität von 5.0 oder sogar 6.0 (99,9999 %) aufgereinigt. Die technische Erneuerung ermöglicht es, eine größere Menge hochreinen Stickstoffs mit einem deutlich reduzierten Druckluftbedarf und einem Luftfaktor ab 2,9 zu produzieren und so bis zu ca. 70% Energie einzusparen.

Druckluftkompressoren wandeln bei der Verdichtung der Luft den Großteil der elektrischen Antriebsenergie in Wärmeenergie um. Ca. 96% der eingebrachten Energie stehen als nutzbare Wärme zur Verfügung. Über eine integrierte Warmerückgewinnung kann die Abwärme zur Heizung von Räumen und Produktionsstätten oder zur Prozessheizung genutzt werden. Ein Plattenwärmetauscher-System ermöglicht darüber hinaus die Erzeugung von Warmwasser aus der Kompressor-Abwärme mit einer Temperatur von bis zu 70^oC. Dieses kann in Zentralheizungen oder Brauchwasseranlagen eingespeist werden. Neben herkömmlichen Schraubenkompressoren können auch Druckluftheizkraftwerke (DHKW) mit Erdgasmotor zur Drucklufterzeugung in den Inmatec Systemen integriert werden.

Die Komplett-Systeme zur N₂-Erzeugung liefern so einen großen Beitrag zu Steigerung der Energieeffizienz sowie zur Reduzierung der CO₂-Emissionen. Durch die vor Ort Produktion von Stickstoff entfallen darüber hinaus LKW-Anlieferungen von alternativem Flüssig-Stickstoff.

BAFA-Förderung zur Erreichung der Nachhaltigkeitsziele

Einen zusätzlichen ökomischen Anreiz setzt das Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (BAFA) mit der Förderung von Energieeffizienz und Prozesswärme aus Erneuerbaren Energien in der Wirtschaft (EEW). Die Höhe der Förderung berechnet sich nach der CO₂-Reduzierung, die durch die Investition erreicht wird So erhalten kleinere und mittlere Unternehmen (KMU) 700 Euro, Nicht-KMU 500 Euro pro Tonne CO₂-Einsparung.

Inmatec Kunden können mit der Investition in eine energiesparende N2-Erzeugungsanlage BAFA-Fördermittel in erheblichem Umfang einwerben. Dabei wird das neue System mit Wasserstoff- und Wärmerückgewinnungs-Technologien mit der vor Ort Stickstofferzeugung ohne energieeinsparende Technologien verglichen. Ein Unternehmen, das z.B. pro Stunde 100 m³ Stickstoff mit einer Reinheit von 5.0 im Dreischicht-Betrieb erzeugt, benötigt mit einem IMT PNC 9300 Stickstoffgenerator sowie einem Wasserstoffkatalysator 100 eine Druckluftmenge von 300 m³/h. Das entspricht 240.000 KWh Strom sowie 129 Tonnen CO₂ (laut BAFA 0,537 Kg/KWh) pro Jahr. Das Vergleichssystem IMT PNC 9700 ohne Kat hat einen Druckluftbedarf von 659 m³/h bei 527.200 KWh Strom und 283 Tonnen CO₂ pro Jahr. Durch die CO₂-Einsparung i.H.v. 154 Tonnen beträgt die einmalige Förderung 107.800 Euro als nicht rückzahlbarer Zuschuss.

Geringe N₂- und Energiekosten, kurze Amortisationszeiten

Kunden profitieren nicht nur von den Zuschüssen, sondern senken die Energiekosten dauerhaft durch die Implementierung des neuen Systems. Durch die Reduzierung des Druckluftbedarfs senkt das oben beschriebene Unternehmen den N₂-Kubikmeterpreis inklusive Wasserstoffkosten um ca. 55% und spart so jedes Jahr knapp 63.000 Euro bei der N₂-Produktion. Im Rahmen der Wärmerückgewinnung wird zusätzlich eine Reduktion der Heizkosten erzielt. Diese liegt bei 18.400 Euro pro Jahr. Durch die signifikanten Einsparungen von insgesamt 81.400 Euro realisiert das Unternehmen eine Amortisationszeit der getätigten Investitionen von ca. 2 Jahren. Im Rahmen des Einsatzes von energieeffizienten Druckluftheizkraftwerken wären weitere Energieeinsparungen und eine Reduktion der EEG-Umlage möglich. Bei Verwendung von selbst produziertem Strom sind sogar Preise von 1 Cent/m³ Stickstoff und somit zusätzliche Einsparungen denkbar.

Die Stickstoffproduktion direkt vor Ort mit Hilfe von OnSite Systemlösungen sowie die Verwendung energiesparender Technologien hat ein großes Potential für die Zukunft. Durch nachhaltige Produktion und gesellschaftliche Verantwortung sichern sich Unternehmen Wettbewerbsvorteile und schonen die Umwelt.