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Energieeffizienz und Abwärmenutzung in der Kunststoffverarbeitung

Weiß, Patrick

Im Rahmen dieser Arbeit erfolgt eine ganzheitliche Betrachtung der Themen Energieeffizienz und Abwärmenutzung in den Kunststoffverarbeitungsverfahren Spritzgießen und Extrusion. Aufgrund der in den letzten Jahren deutlich gestiegenen Strompreise und der damit gewachsenen, finanziellen Belastungen, besitzen verschiedene Aspekte innerhalb dieses Themenkomplexes eine große Bedeutung für die Gesamtbranche der Kunststoffverarbeitung. Die damit einhergehende Gefährdung der internationalen Wettbewerbsfähigkeit des Produktionsstandortes Deutschland steht seit längerer Zeit im Fokus der Betrachtungen. Eine energieeffiziente Produktionsweise entwickelt sich somit zunehmend zu einem entscheidenden Erfolgsfaktor. Die in der Arbeit aufgezeigten Lösungen und Ergebnisse beinhalten sowohl allgemeingültige Ansatzpunkte als auch die Darstellung konkreter, prozessspezifischer Einsparpotentiale zur Steigerung der Energieeffizienz. Die Arbeit behandelt vier Themenkomplexe. Nach der einleitenden Darstellung der energetischen Gesamtsituation innerhalb der Branche erfolgt eine Übersicht der prozessspezifischen und prozessübergreifenden Maßnahmen zur Steigerung der Energieeffizienz. Dabei werden sowohl die Maschinen- und Prozesstechnik als auch die Einsparpotentiale durch die Nutzung der aus den Prozessen abgeführten Wärmeströme berücksichtigt. Nach der Darstellung und Interpretation etablierter Studienergebnisse und energetischer Kennzahlen wird das Thema vor dem Hintergrund der für kunst-stoffverarbeitende Unternehmen relevanten politischen Entwicklungen und der daraus abgeleiteten Konsequenzen betrachtet. In vielen Fällen ist hier eine Senkung der Energiekosten durch die Inanspruchnahme von Steuererleichterungen möglich. Dabei besitzt die Implementierung eines sinnvoll gestalteten Energiemanagementsystems besondere Bedeutung. Im zweiten Themenkomplex erfolgt eine Evaluation energetischer Kennzahlen für die betrachteten Verarbeitungsverfahren. Dabei werden sowohl die für eine aussagekräftige Auswertung benötigten Komponenten und Kennzahlen als auch die Auswirkungen verschiedener Maßnahmen auf die Energieeffizienz herausgestellt. Zu diesen Maßnahmen zählen neben der Variation von Betriebspa-rametern bestehender Maschinen vor allem auch die Verwendung verschiedener Maschinen- und Antriebskonzepte. Die Ergebnisse zeigen eine klare Beeinflussbarkeit der Energieeffizienz. Die aus einer durchgeführten Befragung gewonnenen energiebezogenen Daten von kunststoffverarbeitenden Unternehmen in Nordrhein-Westfalen ermöglichen anschließend die Erstellung einer Benchmarking-Datenbank für das Spritzgießverfahren. Im dritten Teil der Arbeit wird ein extrusionsspezifisches Konzept zur Nutzung des bei der Innenkühlung von Rohren abgeführten Wärmestroms zur direkten Granulatvorwärmung konzeptioniert und erprobt. Neben der Validierung der technischen Umsetzbarkeit erfolgt die Bewertung der Wirtschaftlichkeit des Verfahrens. Dabei werden insbesondere die prozessspezifischen Wechselwirkungen zwischen resultierenden Änderungen der Prozessparameter untersucht. Die Ergebnisse ermöglichen eine vollständige Bilanzierung der energetischen Auswirkungen dieser neuen Möglichkeit zur Abwärmenutzung. Des Weiteren führen sie zur Konzeptionierung eines alternativen Abwärmenutzungssystems, welches unabhängig vom hergestellten Produkt auch für allgemeine Extrusionsprozesse ohne eine zusätzliche Innenkühlung des Extrudats anwendbar ist. Im letzten Themenkomplex wird ein alternatives Verfahren zur Bewertung von Änderungen der Energieeffizienz bei einer modifizierten Produkt- oder Prozessgestaltung erarbeitet. Dabei wird neben den Veränderungen der spezifischen Energieverbräuche auch eine Änderung der Produktwerte aus Hersteller- und Kundensicht berücksichtigt. Es kann gezeigt werden, dass eine Bewertung der Energieeffizienz mittels des für diese Zwecke etablierten mengenspezifischen Energieverbrauchs in solchen Fällen oftmals zu Fehlinterpretationen führt. Durch die Bildung verfahrensspezifischer Fallstudien und die Auswertung der resultierenden energetischen Veränderungen wird dies verdeutlicht.

This thesis gives a holistic view on energy efficiency in plastics processing with a special attention to the processes of injection molding and extrusion. Because of challenges linked to large price increases for electric energy, different issues of this topic are of great importance for the whole industry sector. The threat to the international competitiveness for production facilities in Germany has also been a topic for some time. A production site with high energy efficiency is becoming a key success factor. The results of this work include solutions for common processes as well as for process-specific potentials to increase energy efficiency in plastics processing. The thesis covers four issues. After an introduction into the overall energy situation of the sector an overview of process-specific and process-independent measures for increasing energy efficiency is given. This includes machine and process technology as well as opportunities to increase energy efficiency by using waste heat energy. After the presentation and interpretation of established study results and energy indicators, the topic is considered in the light of relevant political developments and the derived consequences for plastics processors. In many cases, a reduction of energy costs is possible by using tax concessions. The implementation of a sensible designed energy management system therefore has special significance. The second part deals with the evaluation of energy indicators in the focussed processes. The components and performance indicators for a meaningful evaluation are developed. With that, the effects of different measures on energy efficiency can be examined. These measures consist of a variation of operating parameters and the use of several machine technologies with different drive concepts. The results show a clear ability of these activities to influence energy efficiency. After that, an analysis of data obtained from a survey of plastics processors in North Rhine-Westphalia takes place. This enables insights into their energy situation and the creation of a benchmarking database for the injection molding process. After that, an extrusion-specific concept for using the waste heat flow of an internal pipe cooling sys-tem is designed and tested. The extracted heat flow is used directly for preheating of the processed plastic granulate. In addition to validating the technical feasibility, an evaluation of the economic efficiency of this approach is given. The process-specific interactions between the resulting temperature of the plastic granulate, the melt temperature and changes to throughput are examined in particular. The findings allow a complete balance for the resulting energetic effects caused by the use of waste heat energy. Furthermore, they lead to the conception of an alternative waste heat recovery system, which is more generalized and not only usable for pipe extrusion with waste heat coming from inner pipe cooling. As a result, it is also applicable to general extrusion processes without an additional internal product cooling system. The final part of this thesis covers an alternative method for assessing changes in energy efficiency if there is a change in product or process design. In addition to changes of specific energy consump-tion a change of product value is also considered from the manufacturer`s as well as from the cus-tomer's point of view. It can be shown that an assessment of such changes using the established specific energy consumption can lead to misinterpretations. The formation of process-specific case studies and the evaluation of the resulting changes in energy consumption illustrate this fact.

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Weiß, Patrick: Energieeffizienz und Abwärmenutzung in der Kunststoffverarbeitung. 2016.

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