Business Case: Kühlturm

Viele technische Prozesse in Industrie und Gewerbe erzeugen überschüssige Wärme, die durch geeignete Kühlung aus dem System entfernt werden muss. Die Effizienz der häufig eingesetzten Umlauf-Kühlkreisläufe hängt maßgeblich von einem optimalen Wärme-übergang zum Wasser ab. Der Kühlwasserbedarf soll möglichst gering sein und das gesamte wasserführende System vor Ablagerungen, Korrosion und biologischer Verschmutzung geschützt werden. Der Verlust durch Verdunstung und Ablauf muss durch aufzubereitendes Zusatzwasser ersetzt werden. Die zunehmende Konzentration an Salzen im Kreislaufwasser wird durch den automatischen Prozess der leitfähigkeitskontrollierten Absalzung kompensiert.

Negative Umwelteinflüsse und Auswirkungen auf die Gesundheit, insbesondere durch Legionellen, müssen durch geeignete Maßnahmen minimiert werden.

Fachunternehmen bieten verschiedenste kundenspezifische Behandlungskonzepte auf der Basis von Konditionierungschemikalien an, die Korrosion, anorganische Ablagerungen und mikrobiologisches Wachstum vermeiden.

Die eingesetzten, nach jeweiligen Verfahren zu dosierenden Wirkstoffe sollen:

• einen optimalen Wärmeübergang ermöglichen
• ein Blockieren von Leitungen, Armaturen und Pumpen verhindern
• Systemausfälle und Betriebsstörungen vermeiden
• Betriebskosten und Wartungsaufwände reduzieren

Eine kontinuierliche Überwachung wichtiger und besonders kritischer Wasserparameter ist zwingend erforderlich, um die Wirkung der eingesetzten Produkte zu kontrollieren und den Zustand des Kühlsystems nachhaltig zu evaluieren.

Ausgangssituation / Ist-Analyse

Verdunstungskühlanlagen, Kühltürme und Nassabscheider können unter bestimmten Bedingungen legionellenhaltige ⁠Aerosole⁠ (feinste Wassertröpfchen) in die Außenluft freisetzen, die beim Einatmen zu schweren Lungenentzündungen und infolgedessen sogar zum Tod führen können.

Legionellen sind Bakterien, die in natürlichen Gewässern und Böden vorkommen. Normalerweise stellen sie in diesem Kontext keine Gesundheitsgefahr dar.

_{Abbildung 1: Rentokil THS}

In den letzten Jahren ist es in Deutschland immer wieder zu solchen Legionellenausbrüchen mit Todesfällen gekommen, zum Beispiel 2013 in Warstein und 2010 in Ulm/Neu-Ulm.

Die 42. Verordnung zum Bundesimmissionsschutzgesetz (42. BImSchV) über Verdunstungskühlanlagen, Kühltürme und Nassabscheider regelt die wesentlichen Anforderungen an Aufbau, Betrieb und Überwachung der mehr als 30.000 Anlagen in Deutschland. In der Verordnung sind die wichtigsten Pflichten für Anlagenbetreiber von Verdunstungskühlanlagen und Nassabscheidern zusammengefasst: 42. BImSchV - Zweiundvierzigste Verordnung zur Durchführung des Bundes-Immissionsschutzgesetzes (gesetze-im-internet.de)

Da naturgemäß für den Kühlturm das Medium Wasser eingesetzt wird, ergeben sich aus diesem auch die Herausforderungen hinsichtlich eines ordnungsgemäßen und sicheren Betriebs. Die beiden wichtigsten Faktoren hierbei stellen die Wasserhärte sowie biologische Frachten dar. Die Zusammensetzung des Wassers ist hierbei immer standortspezifisch und wird maßgeblich von der Quelle des eingesetzten Wassers und den dort vorherrschenden standortspezifischen Faktoren beeinflusst. Hohe Konzentrationen an Calcium und Magnesium, den sogenannten Härtebildnern im Wasser, führen durch die Kreislaufführung des Wassers über einen Wärmetauscher in diesem zu Kalkablagerungen. Diese führen unweigerlich zu einem Leistungsverlust des Wärmetauschers und bedingen höhere Energiekosten. Im schlimmsten Fall droht sogar ein Produktionsausfall.

Bereits ab einer Kalkschicht von nur 1 mm verringert sich die Leistung des Kühlturms um ca. 30 Prozent. Im Ergebnis dieser Ablagerungen muss der Kühlturm mit höheren Lüftergeschwindigkeiten betrieben werden, der Energieverbrauch steigt und die Systemkapazität ist als eingeschränkt zu bezeichnen.

Eine weitere Gefahr von Kalkablagerungen im System stellen die eingeschlossenen Korrosionsstellen dar. Wird eine korrodierte Stelle durch eine Kalkablagerung „verschlossen“ bzw. bedeckt, breitet sich die Korrosion unter dieser “Schutzschicht“ aus und es kommt zwangsweise zu größeren Schäden. Aus vorstehendem Grund wird dem Wasser ein sogenannter Korrosionsinhibitor zugefügt. Der Inhibitor bildet auf der Rohrinnenseite eine Schutzschicht und verhindert u.a. eine Ablagerung der Härtebildner auf der Rohrinnenwandung.

Je nach Größe des Systems können durch Beschädigungen schnell hohe Kosten verursacht werden. Neben den Rohrleitungen und Ventilen sind hierbei im Besonderen die Wärmetauscher anzuführen deren Kosten sich wie folgt darstellen lassen:

_{Quelle: Funke Wärmeaustauscher Apparatebau GmbH; Stand 12/2021}

Neben der Tatsache das der Wärmetauscher ein elementares Bauteil im Gesamtprozess darstellt, welches unabdingbar für den unterbrechungsfreien Betrieb ist, wird aus oberstehendender tabellarischer Darstellung ersichtlich, dass ein Schutz dieser sensiblen Systeme auch aus wirtschaftlicher Perspektive geboten ist. Neben den Kosten für den erhöhten Wartungsaufwand sowie im Worstcase die Neuanschaffung sind in diesem Zusammenhang auch Kosten etwaiger Ausfallzeiten zu berücksichtigen, welche sich zwangsweise häufig in einer Reduzierung der Produktionskapazität widerspiegeln.

Ausgehend von der Qualität des eingesetzten Zusatzwassers haben sich verschiedene Verfahren bzw. deren Kombination für den technischen Betrieb bewährt. Hierzu zählt bspw. der Einsatz von Enthärtungsanalgen zur Reduzierung der Wasserhärte für das eingebrachte Zusatzwasser. In Kombination mit chemischen Produkten wie Härtestabilisatoren lassen sich somit wirkungsvoll Ablagerung vermeiden und Kosten einsparen.

Die zunehmende Relevanz von Kühlprozessen in der Industrie bei gleichzeitig globaler Abnahme des natürlichen Gutes Wassers stellt Betreiber und Planer vor immer neue Herausforderungen hinsichtlich der verlässlichen Verfügbarkeit des Zusatzwassers. Zunehmend wird nicht nur eine Bezugsquelle wie beispielsweise das lokale Versorgungsnetz, sondern auch lokal erschließbare Quellen wie Oberflächengewässer oder das Grundwasser genutzt, um einen sicheren und wirtschaftlichen Betrieb der Anlagen zu gewährleisten.

Neben den bereits genannten Herausforderungen hinsichtlich der Bereitstellung der notwendigen Volumina in der erforderlichen Wasserqualität unterliegt der Betrieb eines Kühlsystems auch äußeren Einwirkungen, welche in der Konsequenz einen Eintrag von biologischer Masse inklusive Bakterien, etc. bedingen.

Wird diesen nicht entgegengewirkt, kommt es zu biologischen Ablagerungen in den Systemen, welche umgangssprachlich auch als Biofilm bezeichnet werden. Der Biofilm stellt somit eine Kontamination des Kreislaufs dar und ist Quelle und Wachstumsort für verschiedenste Microorganismen wie z.B. auch die Legionellen. In der modernen Wasseraufbereitung stehen verschiedenste Desinfektionsmedien zur Verfügung, die ein Wachstum des Biofilms unterbinden. Eine besondere Herausforderung bei dem Einsatz dieser Produkte liegt darin, eine dauerhafte Desinfektion sicherzustellen. Dies ist insbesondere vor dem Hintergrund der Anpassungsfähigkeit der Microorganismen, als auch der spezifischen Wirkung des Desinfektionsmediums ein technologisch anspruchsvoller Prozess, welcher eine hochgenaue Überwachung erfordert. Wird dieser Prozess nicht monitort und auf die spezifischen Bedingungen überwacht, kann es zu einem weiteren Aufwachsen des Biofilms kommen und somit zu einem späteren Zeitpunkt zu einem Ablösen und Austragen der enthaltenen Microorganismen über die Aerosole kommen.

Die genauen Kosten für den Konditionierungsprozess richten sich primär nach der verfügbaren Wasserqualität, Art und Anzahl der Einspeisequellen und bedürfen einer umfangreichen Wasseranalytik im Vorfeld der technischen Auslegung sowie Auswahl der zum Einsatz kommenden Produkte. Überschlägig kann hierbei von nachstehenden Kosten für die Ausrüstung sowie chemische Behandlung ausgegangen werden.

Bauart	Leistung	Kosten der Wasserbehandlung*	Kosten Mess-, Dosier- & Überwachungstechnik
Kompakte Rückkühlwerke	Bis 2.000 KW	Ca. 5.000€/Jahr	bis 7.500€
Zellenkühlturm		7.500 – 10.000€	bis 10.000€
Naturzugnasskühlturm	> 200 MW	80.000 – 120.000€/Jahr	größenabhängig bzw. durchsatzabhängig ab 17.500 €

_{* Kosten werden maßgeblich durch die Art des Zusatzwassers und die mikrobiologische Beschaffenheit geprägt}

Seitens des Gesetzgebers werden über die 42. BImSchV in Verbindung mit der Norm VDI 2047, Blatt 2 diverse Pflichten an die Betreiber adressiert. Hierzu gehören neben der Anzeigepflicht auch die Pflicht zur Aufzeichnung der relevanten Betriebsparameter und Betriebsbedingungen inkl. chemischer und physikalischer Parameter des Wassers. Insbesondere sind hierbei die Leitfähigkeit, der pH-Wert, die Arbeitsweise der chemischen Dosierung (Konditionierung) inkl. Konzentrationsnachweisen, Abklingverhalten, etc. dokumentensicher zu erfassen.

All diese Maßnahmen dienen dem Schutz der Bevölkerung vor Legionellenausbrüchen, haben einen direkten Zusammenhang zur wirtschaftlichen Betriebsweise der Gesamtanlage und Schonung der natürlichen Ressourcen. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass neben den haftungsrechtlichen Risiken, die bei Nichteinhaltung der gesetzlichen Vorgaben im Raum stehen auch monetäre Aspekte wie der Schutz natürlicher Ressourcen, Energieeinsparungen sowie die Reduzierung von Kosten für die eingesetzte Chemie eine umfassende Betrachtung dieses komplexen Themas für alle beteiligten Personengruppen nicht nur wünschenswert, sondern verpflichtend ist.

Die wesentlichen Akteure innerhalb dieses Prozesses sind:

• Geschäftsführung des Betriebsstandortes: Grundsätzliche Verantwortung für den ordnungsgemäßen Betrieb unter Berücksichtigung der gesetzlichen Vorgaben; Prüfung aktueller Handlungsempfehlungen
  
• Technische Betriebsleitung: Verantwortlich für: Prüfung der Anlage hinsichtlich ordnungsgemäßer Funktion; Führen und Archivieren der dokumentationspflichtigen Aufzeichnungen
  
• Hersteller der Konditionierungschemie: Verantwortlich für: ordnungsgemäße Dosierung zur Sicherstellung eines rechtskonformen Betriebs der Anlage unter Berücksichtigung aktueller und laufender Wasseranalytik; Bereitstellung geeigneter Technik zur Erfüllung der gesetzlichen Anforderungen, Schutz der wasserführenden Systeme vor Ablagerungen & Beschädigungen

Untersuchte Lösungsvarianten

Zusammenfassend muss festgehalten werden, dass es sich bei Kühltürmen um komplexe technische Anlagen handelt, welche naturgemäß diversen Einflussfaktoren unterliegen und kein statisch in sich geschlossenes System darstellen. Umso wichtiger ist das Monitoring betriebs- und umweltrelevanter Parameter sowie Betriebszustände.

Im nachstehenden Beispiel wurde exemplarisch ein Prozess dargestellt, welcher einige der üblicherweise zum Einsatz kommenden Messverfahren beinhaltet. Die Kombination der dargestellten Verfahren bzw. Überwachsfunktionen richtet sich hierbei immer nach den zum Einsatz kommenden chemischen Konditionierungsverfahren, den baulichen Gegebenheiten inkl. verwendeter Werkstoffe sowie den generellen Betriebsbedingungen wie bspw. der Wasserzusammensetzung.

Im dargestellten Beispiel einer Kühlwasserüberwachung sind folgende Komponenten ersichtlich:

1. Resthärteüberwachung mittels Testomat LAB TH®
   Die Überwachung des enthärteten Nachspeisewassers stellt sicher, dass die vorgeschaltete Enthärtungsanlage ordnungsgemäß arbeitet. Im Falle einer Grenzwertüberschreitung (frei programmierbar) wird diese als Information an den NeoTecMaster®, einem herstelleroffenen Multicontroller übergeben, welcher im Ergebnis über einen potentialfreien Kontakt das Startsignal zur Regeneration an die Softmaster MMP übergibt.
   
   
2. Microprozessorbasierte Steuerung für Enthärtungsanlagen (Softmaster MMP)
   Die qualitätsgesteuerte Auslösung der Regeneration einer Enthärtungsanlage stellt das genaueste und gleichzeitig umweltfreundlichste Verfahren dar. Durch Einbindung des Testomaten® in das Überwachungs- und Monitoringkonzept, wird eine Regeneration nur im Falle eines tatsächlichen Bedarfs ausgelöst. Neben der Einsparung von Betriebskosten für Salz und Abwasser hat dieses Verfahren als Vorteil, dass die Regeneration auch bei Schwankungen der Eingangswasserhärte verlässlich ausgelöst wird und somit, die Zusammensetzung des Kreislaufwassers hinsichtlich der Härtebildner Calcium und Magnesium kontinuierlich in einer bekannten Größe vorliegt, welche wiederum die Optimierung des Einsatzes von sogenannten Härtestabilisatoren ermöglicht.
   
   
3. Überwachung der Dosierkonzentration und des zeitlichen Verlaufs von Bioziden (Testomat® LAB CL)
   Zur Sicherstellung der rechtlichen Anforderungen bzw. der Einhaltung der hiermit verbundenen hygienischen Anforderungen gemäß VDI 2047 Blatt2 sowie der 42. BImSchV bedarf es der chemischen Konditionierung des Umlaufwassers. Hierbei ist im Besonderen dem Thema Verkeimung sowie Bildung von Biofilmen Rechnung zu tragen. Der Einsatz von Bioziden dient hierbei im Wesentlichen:
   
   
   • Der Vermeidung von Biofilmen in z.B. Wärmetauschern und somit der Vermeidung einer Reduzierung des Wirkungsgrades (Biofilme wirken als isolierende Schicht)
   • Dem Schutz der mit dem Wasser in Kontakt kommenden Materialoberflächen vor Korrosion durch säurebildende Bakterien
   • Dem Austrag von Mikroorganismen wie bspw. Legionellen über Aerosole

   In der Praxis stehen hierfür verschiedenste biozide Produkte zur Verfügung. Am häufigsten verbreitet sind Biozide auf Basis von Chlor, Chlordioxid sowie Kombinationsprodukte aus Wasserstoffperoxid & Silber.
   
   Zur Sicherstellung einer bedarfsgerechten Dosierung, unter Berücksichtigung der Produktzerrung, ist eine kontinuierliche Überwachung erforderlich.

   Der Testomat® LAB CL (DPD Methode) ermöglich die Überwachung der Konzentration im Kreislaufwasser bei Verwendung eines chlorhaltigen Biozids. Die Messergebnisse können mittels 4-20 mA Signal oder RS232 direkt an eine übergeordnete Steuerung übergeben werden. Der NeoTecMaster® verfügt softwareseitig über mehrere Funktionen zur Verarbeitung des eigehenden Signals und erlaubt hierdurch die bedarfsgerechte Dosierung mittels Norm- oder Invertsignal.
   
   

4. Dosierüberwachung der Härtestabilisatoren/Dispergatoren und Korrosionsinhibitoren mittels Testomat 2000®
   Ein weiterer Schwerpunkt der notwendigen chemischen Konditionierung des Kreislaufwassers stellt der Schutz des Gesamtsystems vor Ablagerungen und Verkalkungen dar. Hierfür erfolgt der gezielte Einsatz von Härtestabilisatoren, um das Ausfallen von Calciumcarbonat zu verhindern bzw. signifikant zu reduzieren. Dispergatoren finden zur Vermeidung verschiedener Ablagerungen wie bspw. diverser Schwebstoffe auf Basis von Schmutz, Eisen-, Manganoxide etc. Verwendung. Dispergatoren halten Feststoffe „in Schwebe“, welche sich somit nicht oder nur geringfügig im System ablagern können.
   
   Korrosionsinhibitoren basieren häufig auf Molybdat, Polyphosphate, Zink, Phosphonate, Toluyltriazol oder Natriumhydroxid. Der Korrosionsschutz wird hierbei durch:
   
   
   • die Schutzschichtbildung auf Werkstoffen
   • eine signifikante Verringerung des elektrochemischen Korrosionsprozesses sowie
   • Alkalisierung (Anhebung des pH-Wertes)
   
   

   erreicht.
   

   Die Analyse der aktiven Wirkstoffe auf Basis von speziellen Polymeren, Phosphonaten und Polyphosphaten, ist unter Einsatz des Testomat® 2000 Polymer oder Testomat® 2000 o-PO4 möglich. Die Ergebnisse der Onlinemessung werden mittels 4-20 mA Signal entweder direkt auf eine Dosierpumpe oder vorher an ein zentrales Steuerungssystem übergeben.
   
   

5. pH-Wert Messung mittels NeoTec Select oder Standardelektroden (herstellerunabhängig)
   Der pH-Wert gibt an wie sauer oder basisch ein Wasser ist. Wasser mit einem pH-Wert um 7 wird als neutral bezeichnet. Je nach verbauten Werkstoffen sollte der pH-Wert des Kühlwassers in einem Bereich von 7,0 – 8,5 liegen. Die Überwachung dieses Parameters ist insbesondere bei der Einbringung von Zusatzwasser relevant, da die Kohlensäure über den Kühlturm ausgetrieben wird und hierdurch der pH-Wert steigt. Infolgedessen ist das natürliche „Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht“ gestört und die Tendenz zur Ablagerung erhöht sich signifikant.
   
   NeoTec Select hat für die Überwachung des pH-Wertes spezielle Flachkopfelektroden, welche aufgrund ihres technischen Aufbaus sowie der Sensorkopfgeometrie besonders geeignet sind für den Einsatz im Kühlturmbereich, verfügbar. Das flache Design des Elektrodenkopfes minimiert Ablagerungen an der empfindlichen Sensoroberfläche. Der integrierte 4-20mA Kopftransmitter ermöglicht hierbei eine Übertragung an das NeoTecMaster® System oder bei Bedarf auch die direkte Ansteuerung der zugehörigen Dosiertechnik.
   
   Die Überwachung des pH-Wertes, in Verbindung mit einer entsprechenden pH-Wert Stabilisierung minimiert den Einsatz von Konditionierungsprodukten und ermöglicht gleichzeitig eine Erhöhung der Eindickungsraten. Im Ergebnis werden somit die Umwelt geschont und die Kosten auf der Abwasserseite gesenkt.
   
   

   Abbildung 2: Flachkopfelektrode NeoTec Select

   Abbildung 3: Ansicht Ring-Diapraghma

   
   
   

6. Leitfähigkeitskontrollierte Absalzung des Kühlwassers mit NeoTec Select
   Einer der wichtigsten Parameter für die Überwachung eines Kühlkreislaufes stellt die Leitfähigkeit dar. Die Leitfähigkeit ist ein Maß ist für die Menge an gelösten Salzen und ermöglicht somit Rückschlüsse auf die Wasserbeschaffenheit. Eine zu hohe Leitfähigkeit fördert u. a. Korrosion.
   
   Kühltürme basieren auf dem Prinzip der Verdunstung, was nichts anderes heißt, dass hierdurch die Kühlleistung sichergestellt wird. Überschlägig wird pro Kubikmeter verdunstetem Wasser eine Kühlleistung von 650kW angesetzt.
   
   Da nur das reine Wasser (H₂O) verdunstet, konzentrieren sich die im Wasser enthaltenen Stoffe auf. Dieser Prozess wird auch als „Eindickung“ bezeichnet. Unter Eindickung wird das Verhältnis aus der Salzkonzentration des Kühlkreislaufes zu der des Zusatzwassers verstanden. Vor diesem Hintergrund hat sich die Leitfähigkeit in der Praxis für die Überwachung etabliert, da diese als Summenparameter eine sehr hohe Aussagekraft hinsichtlich „Eindickung“ des Umlaufwassers aufweist.
   
   Ohne einen technischen Eingriff würde sich die Salzkonzentration im Kreislaufwasser unkontrolliert erhöhen und nach dem Erreichen der Löslichkeitsgrenze zu Ablagerungen im System führen. Als weiterer negativer Effekt der Eindickung sei erwähnt, dass derartig salzangereicherte Wässer ideale Nährböden für Algen und Bakterien darstellen, welche bei den üblicherweise vorliegenden Temperaturen von ca. 25 bis 35 °C optimale Bedingungen für ein biologisches Wachstum vorfinden.
   
   Aus vorstehenden Gründen wird unter Kenntnis des Gesamtprozesses die sogenannte leitfähigkeitsbezogene Absalzung durchgeführt. In der Praxis hat sich gezeigt, dass hierfür eine maximale Eindickung um den Faktor 4 sinnvoll ist. Höhere Eindickungszahlen haben nur sehr selten einen entsprechende gesteigerte monetäre Wirkung auf die Betriebskosten. Für die Absalzung wird hierzu unter Berücksichtigung aller Einflussfaktoren sowie zum Einsatz kommenden chemischen Konditionierungsprodukte eine maximal zulässige Leitfähigkeit definiert. Bei Erreichen dieses Schwellenwertes werden alle Dosierprozesse verriegelt und über ein Absalzventil das nunmehr aufkonzentrierte Wasser kontrolliert abgelassen und durch frisches Füllwasser ersetzt. Im Anschluss hieran erfolgt eine Verriegelung der Absalzung, damit die erneut dem Wasser zudosierten Konditionierungsprodukte entsprechend wirken können.
   
   

   Die Leitfähigkeitsmessung kann wahlweise mit einer NeoTec Select Sonde oder mit einem Standardprodukt anderer Hersteller erfolgen.

   
   
   

Dieses exemplarische Mess- und Regelkonzept orientiert sich an den messtechnischen Erfordernissen von Kühlturmbetreibern. Eine kontinuierliche Überprüfung der Messparameter und der Wasserqualität ist eine wichtige Voraussetzung für einen zuverlässigen und wirtschaftlichen Anlagenbetrieb.

Für die Unterstützung bei der Sammlung von betriebswirtschaftlichen Daten sowie der fachlichen Begleitung bedanken wir uns bei den Firmen:

• Funke Wärmeaustauscher Apparatebau GmbH: FUNKE Wärmeaustauscher - Funke Wärmeaústauscher

und

• CG Chemikaliengesellschaft mit beschränkter Haftung & Co. KG: CG 1962 | Chemikalien | Chemie die verbindet | CG 1962 (cg-chemikalien.de)

Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass der Kühlkreislauf ein sehr komplexes dynamisches System darstellt, welches verschiedenen Umwelt- und Verfahrenseinflüssen unterliegt. Im obenstehenden Business Case ist der Kühlturmprozess mit seinen möglichen Einflussfaktoren aufgrund seiner Komplexität auszugsweise in Bezug auf die im Prozess vorkommende Komponente Wärmetauscher und das eingesetzte Konditionierungsverfahren betrachtet worden.

Oberstes Ziel bei der Überwachung des Kühlturmprozess sollte neben Erlangung von maximaler Prozesssicherheit immer ein verantwortungsvoller Umgang mit der natürlichen Ressource Wasser sowie der Umgang mit Bioziden sein, um einem nachhaltigen Umgang mit der Umwelt Rechnung zu tragen.