Vor-Ort-Erzeugung schont die Umwelt

Artikel productronic, 11/21

Stickstoff beim Selektiv-, Wellen-, oder Reflowlöten

Mit Hilfe eines innovativen Gaserzeugungs-Abwärme-Konzepts wird die N2-Eigenerzeugung zu einer Dekarbonisierungsanlage und schont gleichzeitig Umwelt und Geldbeutel. Die Eigenerzeugung wird zudem ein Teil der Nachhaltigkeitsstrategie, die einen deutlich geringeren CO2-Fußabdruck hinterlässt. 

Stickstoff (N2) wird in der Elektronikfertigung eingesetzt, da es eine Schutzatmosphäre erzeugt, die Oxidationen während des Lötens verhindert und so für eine optimale Produktqualität sorgt. Die vor Ort Erzeugung von N2 bietet dank neuester technischer Innovationen des Unternehmens Inmatec eine Möglichkeit die Produktion deutlich umweltfreundlicher zu gestalten. Die N2 Eigenerzeugung wird zudem ein Teil der Nachhaltigkeitsstrategie, da es gegenüber einer LIN-Flüssigbelieferung einen deutlich geringeren CO2-Fußabdruck hinterlässt.   

Wirtschaftlichkeit und Rentabilität sind die vorrangigen Ziele jedes Unternehmens. Daher wird in Unternehmen immer nach Wegen gesucht, Kosten zu senken, um die Wettbewerbsfähigkeit zu steiern. Gleichzeitig nehmen die gesetzlichen Anforderungen in Punkto Umweltschutz und Dekarbonisierung zu, was in der Regel mit gestiegenen Kosten einhergeht. Doch was auf den ersten Blick nach konkurrierenden Zielen aussieht, wird in der Praxis der N2 Eigenerzeugung zu einer Win-win-Situation, aus der Unternehmen einen doppelten Nutzen ziehen.

Voraussetzung für das bleifreie Löten

Stickstoff wird insbesondere im Rahmen von Selektiv-, Wellen- oder Reflow-Lötverfahren eingesetzt. Das inerte Gas verdrängt den Sauerstoff in den Anlagen und verhindert Oxidationen, um hochwertige Lötverbindungen elektronischer Baugruppen zu erzielen. Verunreinigungen durch Krätze-, Whiskerbildung und entsprechende Folgeschäden (z.B. Kurzschlüsse) werden effektiv vermieden, der Lot- und Flussmittelverbrauch wird reduziert. Darüber hinaus ist die Verwendung von Stickstoff, entsprechend der RoHS (Restriction of Hazardous Substances) Richtlinie der EU, Voraussetzung für das Verlöten bleifreier Lote.

Der hierzu benötigte Stickstoff kann auf umweltfreundliche Weise direkt vor Ort produziert werden. Ein N2-Generator adsorbiert hierfür mit Hilfe der PSA-Technologie Stickstoff aus der Umgebungsluft in der gewünschten Menge und Qualität. Die verwendete Druckluft wird über Kompressoren erzeugt. Der Nachteil hierbei: Der überwiegende Teil der zugeführten elektrischen Energie wird vom Kompressor in Wärme umgewandelt und verpufft wirkungslos. Ein innovatives Gaserzeugungs-Abwärme-Konzept, das den Strombedarf senkt und gleichzeitig die erzeugte Wärmeenergie nutzbar macht, wäre die Lösung.

Wasserstoff und Wärmerückgewinnung spart Energie

Die Erzeugung von Stickstoff benötigt unterschiedliche Mengen an Druckluft. Während herkömmliche Systeme einen Druckluftfaktor (DLF) von 12 bis 14 benötigen, so verbrauchen neuartige PSA-Systeme lediglich 6,7 – 7,0 m³ DL/m³ (N2). Mit Hilfe eines H2Kat-Wasserstoffkatalysators wird die benötigte Druckluftmenge deutlich reduziert. In dem zweistufigen Verfahren wird „Roh“-Stickstoff mit einer Reinheit 99,9% erzeugt, um dann mit Hilfe von Wasserstoff eine Reinheit von 99,999 – 99,9999% im zweiten Schritt zu erzeugen. So können größere Mengen hochreinen Stickstoffs mit einem deutlich reduzierten Druckluftbedarf (Druckluftfaktor ab 3,0) produziert werden, wobei bis zu 70% der Strommenge herkömmlicher PSA-Technologien eingespart werden.

Darüber hinaus kann die Abwärme des Druckluftkompressors rückgewonnen werden, um die Energiebilanz der Eigenerzeugung zu verbessern. Über Wärme-Rück-Gewinnungstechniken (WRG) wird die Abwärme als Warmluft oder Warmwasser zum Heizen von Räumen und Prozessen genutzt. Durch die Nutzung der Abwärme werden i.d.R. fossile Brennstoffe substituiert und eingespart.

Nachhaltiges Handeln

Gesetzliche Richtlinien beflügeln den Wandel hin zu mehr Nachhaltigkeit. Unternehmen verfahren so zunehmend nach den ESG-Vorgaben der EU, die zu nachhaltigem Handeln in ökologischen (environmental), sozialen (social) und rechtlichen (governance) Bereichen auffordern. Das nationale Klimaschutzgesetz der Bundesregierung sieht vor, den Treibhausgasausstoß bis 2030 um 55% zu senken. Bis 2050 soll zudem eine Treibhausgasneutralität erreicht werden. Investitionen in ressourcensparende und umweltfreundliche Technologien zur Senkung des CO2-Fußabdrucks (Dekarbonisierung) industrieller Prozesse und zum Schutz des Klimas werden so zum wesentlichen Faktor für einen dauerhaften Unternehmenserfolg. Um diese Ziele zu erreichen, werden seitens der Regierungen europaweit ökonomische Anreize gesetzt. So unterstützt das Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (BAFA) Unternehmen mit der Förderung von Energieeffizienz und Prozesswärme aus Erneuerbaren Energien in der Wirtschaft (EEW). Basis hierfür ist die CO2-Einsparung, die durch eine Investition erreicht wird. Dafür wird die Energieverbrauch eines energiesparenden Systems im Vergleich zu einer „herkömmlichen“ Stickstofferzeugungsanlage betrachtet.

Ein Beispiel soll das Förder- und Energiesparpotential zeigen:
Ein Elektronik-Unternehmen, das pro Stunde z.B. 100 m3 Stickstoff mit einer Reinheit von 5.0 produziert, verbraucht 527.200 KWh Strom pro Jahr (z.B. IMT PNC 9700 Stickstoffgenerator ohne H2Kat, Druckluftbedarf 659m3/h, 283tCO2/a). Mit einem Turnkey-System (IMT PN KomPact 100 inkl. H2Kat Wasserstoffkatalysator, Druckluftmenge 300m3/h, 129tCO2/a) werden hingegen lediglich 240.000 KWh Strom pro Jahr verbraucht. Die resultierende CO2-Einsparung beträgt pro Jahr 154 Tonnen und wird mit einmalig bis zu 107.800 Euro gefördert (je nach Unternehmensgröße 500-700 Euro pro eingesparter Tonne CO2), die als nicht rückzahlbarer Zuschuss ausbezahlt werden. Das Unternehmen reduziert ferner seine laufenden Energiekosten um 55% und spart so dauerhaft 63.000 Euro pro Jahr. Durch den Einsatz einer zusätzlichen WRG-Technik kann zusätzlich eine Reduktion der Heizkosten erzielt werden. Diese Einsparungen betragen in diesem Falle weitere 18.400 Euro im Jahr, so dass in Summe eine wirtschaftliche Kostenreduktion in Höhe von 81.400 Euro erzielt wird – jedes Jahr.

Dekarbonisierung von Industrieprozessen führt zu Kosteneinsparungen

Die Entwicklung eines zweistufigen Prozesses zur Erzeugung von hochreinem Stickstoff leistet einen erheblichen Beitrag zur Dekarbonisierung der Stickstoffbereitstellung in der Industrie. Wird die Abwärme aus der Druckluftproduktion zudem genutzt, so können Fördermittel im sechsstelligen Bereich eingeworben werden, was die Umstellung hin zu Produkten mit geringem CO2-Fußabdruck erleichtert.

Veröffentlicht in der productronic 11/21
sowie unter www.all-electronics.de

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