Info: Was ist eine Pinch-Analyse?

Der Industriesektor verursacht über ein Viertel des deutschen Endenergieverbrauchs, wovon rund zwei Drittel auf die Bereitstellung von Prozesswärme und -kälte entfallen [1].  Somit ist dieser Bereich für einen Großteil der Energiekosten und -emissionen von Unternehmen verantwortlich. Gleichermaßen liegen hier erhebliche Potenziale der Effizienzsteigerung vor, welche jedoch aufgrund der Vielzahl an unübersichtlichen Energieströmen oftmals nicht quantifiziert oder gehoben werden.

Im Vergleich zu klassischen Effizienzmaßnahmen, die maßgeblich auf Wirkungsgradverbesserungen einzelner Apparate abzielen, zeigt sich erfahrungsgemäß ein deutlich größeres Einsparpotenzial bei einer optimalen Verknüpfung von thermischen Energieströmen in einem Gesamtsystem. Diesen Ansatz verfolgt die Pinch-Analyse, mit der sich bei Bestandsanlagen Einsparpotenziale im Bereich der thermischen Energieversorgung von ca. 10 bis 30 % realisieren lassen [2].

 

Ziel und Anwendung der Pinch-Analyse

Der Fokus der Pinch-Analyse liegt stets auf einer ganzheitlichen Optimierung der thermischen Energieversorgung auf Prozess- und Analgenebene. Die Pinch-Analyse ist ein systematisches Verfahren mit dem Ziel, den theoretisch minimal möglichen Energiebedarf für die Kälte- und Wärmebereitstellung von Prozessen zu bestimmen. Dies wird primär erreicht, indem vorhandene Energieströme mittels Wärmeübertrager zur internen Wärmerückgewinnung ideal miteinander verschalten werden. Hieraus können dann unmittelbare Maßnahmen für die praktische Umsetzung abgeleitet werden.

Grundvoraussetzung für die Anwendung der Pinch-Analyse ist das gleichzeitige Vorliegen von Kälte- und Wärmebedarfen, die ein oder mehrere Prozessschritte erfordern. Die Einsatzbereiche erstrecken sich von einzelnen Produktionsschritten, über einen Teilbereich der Produktion (z. B. eine Produktionslinie) bis hin zu einer ganzheitlichen Betrachtung eines oder mehrerer Produktionswerke mit lokalem Zusammenhang.

Bereits in der Planung von Neuanlagen ist es sinnvoll, die Pinch-Analyse anzuwenden, um Planungsfehler zu vermeiden und den zukünftigen Prozess so effizient wie möglich zu gestalten und ihn optimal in das gesamte Werk einzubinden. Unter folgenden Bedingungen ist die Anwendung einer Pinch-Analyse auch bei Bestandsanlagen besonders erfolgsversprechend:

  • Gleichzeitiges Vorhandensein von Wärme- und Kältebedarf auf unterschiedlichen Temperaturniveaus
  • Thermischer Hauptenergiebedarf liegt auf den Produktionsprozessen (nicht Gebäudehülle)
  • (Wirtschaftliche) Umsetzung einer Wärmerückgewinnung zunächst nicht offensichtlich

 

Ablauf und Vorgehensweise einer Pinch-Analyse in der Praxis

 Abbildung 1

Abbildung 1: Ablaufschritte einer Pinch-Analyse in Abhängigkeit des Zeitaufwands (Eigene Darstellung in Anlehnung an [2])

 

Abbildung 1 zeigt die drei typischen Schritte zur Anwendung einer Pinch-Analyse. Hierbei nimmt der erste Schritt bereits ca. 60 bis 70 % des Gesamtaufwands ein und beinhaltet maßgeblich die Erfassung, Sichtung und Aufbereitung vorhandener Daten und sonstiger relevanter Unterlagen (z. B. Hydraulikschemata, Verfahrens-Ablaufdiagramme, Parameter aus Prozessleitsystemen etc.). Entscheidend ist es, ein Prozessverständnis zu erlangen, die Analyse nicht zu kleinteilig aufzubauen und Verbräuche einzelner Prozessschritte in Relation zum Gesamtenergieverbrauch zu bewerten.

In einem zweiten Schritt sind die zuvor ermittelten Prozessbedingungen objektiv zu hinterfragen. Dies kann bereits zur Hebung von energetischen Einsparpotenzialen führen oder dazu beitragen, Prozessanforderungen zu definieren. Diese dienen anschließend als Ausgangspunkt für die eigentliche Anlagen- und Prozessoptimierung nach der Pinch-Analyse.

 

Abbildung 2

Abbildung 2: Schematische Darstellung zur Ermittlung des Pinch-Punktes anhand der Gesamtstromkurven

 

Das Vorgehen bei der Pinch-Analyse ist in Abbildung 2 schematisch dargestellt. Ein Energiestrom mit Kühlbedarf wird „Warmer Strom“ genannt, da er ursprünglich warm vorliegt und abgekühlt werden muss. Analog dazu werden Ströme mit Wärmebedarf als „Kalter Strom“ bezeichnet. Die einzelnen warmen und kalten Ströme eines Prozessschrittes beschreiben seinen notwendigen Heiz- oder Kühlbedarf und werden für beliebige Medien, wie z. B. Wasser, Luft, Bier, Schokolade etc. definiert. Die Addition der Energiemengen der warmen bzw. kalten Ströme gleichen Temperaturintervalls ergibt je eine Gesamtstromkurve (siehe Abb. 2).

Der Berührungspunkt beider Gesamtstromkurven wird als „Pinch“ bezeichnet, an dem die „Pich-Punkt-Temperatur“ vorliegt und charakterisiert das System wie folgt:

  • Alle Energieströme oberhalb des Pinch-Punktes weisen in Summe ein Wärmedefizit auf – eine externe Wärmezufuhr für Prozesse mit Heizbedarf auf hohem Temperaturniveau darf deshalb nur in diesem Bereich erfolgen.
  • Alle Energieströme unterhalb des Pinch-Punktes weisen bilanziell einen Wärmeüberschuss auf – eine externe Wärmeabfuhr für Prozesse mit Kühlbedarf auf niedrigem Temperaturniveau darf deshalb nur in diesem Bereich erfolgen.
  • Warme Ströme über dem Pinch-Punkt dürfen nicht für Heizzwecke unter dem Pinch-Punkt genutzt werden.
  • Die maximal mögliche (interne) Wärmerückgewinnung ist direkt im Diagramm ersichtlich (siehe Abb. 2).

Diese Gesamtübersicht des thermischen Energiebedarfs ermöglicht es anschließend, geeignete Wärmestrompaare zur internen Wärmerückgewinnung zu identifizieren und ein Wärmeübertragernetzwerk aufzustellen. Hierfür werden tiefergehende Analysemethoden im Rahmen der Pinch-Analyse berücksichtigt.

In einem letzten Schritt zum Ablauf der Pinch-Analyse werden die Ergebnisse zur internen Wärmerückgewinnung hinsichtlich deren technischer und wirtschaftlicher Umsetzbarkeit geprüft und eine priorisierte Maßnahmenliste unter Berücksichtigung des Kosten-Nutzen-Verhältnisses aufgestellt.

 

Literatur

[1]

Energieeffizienz in Zahlen - Entwicklungen und Trends in Deutschland 2018. Berlin: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi), 2019.

[2]

Brunner, Florian; Krummenacher, Pierre: Einführung in die Prozessintegration mit der Pinch-Methode. Bern: Bundesamt für Energie, 2015.

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