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Obwohl der spezifische Energieeintrag mit ca. 250 bis 500 Wh/kg in den spezifischen Herstellkosten der Mischung immer noch eine untergeordnete Bedeutung spielt, sind sowohl die im Mischsaal insgesamt aufzuwendende Energie, als auch die installierten Antriebsleistungen an einer Mischungslinie beeindruckend groß.

Im Detail betrachtet
Betrachtet man zum Beispiel eine Linie mit einem Durchsatz von 2 t/h, so fallen bei 10.000 t/a und einer spezifischen Energieeinbringung von zum Beispiel 300 Wh/kg schon 3 Mio. KWh an. Dies ist aber nur die wirklich ins Material einzubringende Energie! In der Praxis muss hierzu ein entsprechend der Wirkungsgrade der involvierten Aggregate höherer Brutto Energiebetrag aufgewandt werden. Geht man von einem durchschnittlichen Wirkungsgrad von ca. 66 % aus, so würde die oben definierte Mischerlinie schon etwa 4,5 Mio. KWh verbrauchen, was bei einem Preis von 14 Cent/KWh pro Jahr etwa 630.000 Euro Energiekosten verursachen würde.
Ein 190-Liter-Kneter, welcher den oben definierten Durchsatz leistet, ist üblicherweise mit einer Antriebsleistung von 1.200 kW bei 50 U/min ausgestattet. In der Spitze können sogar kurzzeitig mehr als 2,5 MW abgefordert werden, was zum Beispiel in Phasen von Füllstoffzugaben oder Ähnlichem der Fall ist. Unterstellt man wiederum einen Wirkungsgrad von 66 %, dann heißt das, dass aus Sicht des Energielieferanten Lastspitzen von 3,8 MW entstehen. Diese Lastspitzen sind kostenrelevant, da die hohen bereit zu stellenden Energiemengen auch hohe Energiepreise sowie Bereitstellungskosten nach sich ziehen.

Es lohnt sich, über Effizienzsteigerungen im Mischsaal nachzudenken

Analysiert man die aktuell weltweit in-stallierten Mischerlinien, so lässt sich feststellen, dass der überwiegende Teil noch mit Gleichstromantrieben ausgerüstet ist. Diese hatten sich als robustes und langlebiges Antriebskonzept für viele Anwendungen in der Industrie etabliert, auch wenn man einige Nachteile wie z.B. das regelmäßig notwendige und aufwändige Reinigen der Motoren in Kauf nehmen musste. Ebenso galten Gleichstromantriebe bis Mitte der neunziger Jahre als Standardantrieb für Mischerlinien. Erst danach erfuhren Frequenzumrichtermodule eine rasante technische Entwicklung, die Drehstromantriebe preislich zunehmend interessanter machten und anfängliche Nachteile wie Drehmomentschwächen bei niedrigsten Drehzahlen ausmerzten. Somit wurden diese Antriebe auch für die rauen Umgebungsbedingungen im Kaut-schukmischsaal zunehmend interessanter.
Die Anforderungen an einen Kneterantrieb sind sehr vielfältig. Wie eine typische Leistungskurve eines Mischprozesses zeigt, werden nur in einem kurzen Zeitraum des Mischens sehr hohe Leistungen abgefordert. Über lange Phasen des Prozesses hingegen werden nur geringe Leistungen vom Motor abgefordert. Dies bedeutet, dass Antriebe im Mischsaal den Großteil ihrer Betriebszeit im Teillastbetrieb arbeiten. Gerade hier verfügen Gleichstromantriebe über besonders schlechte Wirkungsgrade. Wie eigene Untersuchungen zeigen, können diese auf unter 40% absinken.

Gleichstrom versus Drehstrom

Ein moderner AC Antrieb weist ein wesentlich besseres Betriebsverhalten auf. Auch im unteren Auslastungsbereich liegen die Wirkungsgrade über 60%. Im Mittel kann bei dem Austausch Gleichstrom gegen Drehstrom von einem Wirkungsgradzuwachs von 20% ausgegangen werden.
Am Beispiel des oben definierten 190-L-Kneters kann der wirtschaftliche Effekt wie folgt überschlagen werden: Verbraucht der 1.200-kW-Motor im Mittel 480 kW, so sind das im Jahr bei angenommenen 5.000 Betriebsstunden 2,4 Mio kWh. Bei einem Wirkungsgrad von 60 % entspricht dies einer Bruttoleistung von 4 Mio kWh, was bei 14 Cent/kWh mit 560.000 Euro zu Buche schlägt. Beim Einsatz eines AC-Antriebs mit einem Wirkungsgrad von 80 % sind Brutto nur noch 3 Mio. kWh nötig, beziehungsweise die Betriebskosten für diesen Antrieb verringern sich auf 420.000 Euro.
Eine praktische Überprüfung verdeutlicht dies. Hier ist für einen Mischschritt in einem identischen Mischprozess der „Fingerprint“ eines Mischvorgangs mit Gleichstromantrieb und eines modernen AC Antriebs gegenübergestellt. Der moderne Antrieb arbeitet mit einem um >30 % besseren Wirkungsgrad. Diese einfache Betrachtung macht bereits deutlich, dass es oft wenig Sinn macht, einen veralteten Gleichstromantrieb beizubehalten, und im Falle einer Modernisierung nur den Mischerblock selbst auszutauschen. Ganz besonders uneffektiv ist es, wenn Verarbeiter noch mit Drehzahl-fixen Antrieben arbeiten. In solchen Fällen ist nicht nur der schlechte Wirkungsgrad älterer Antriebe von Nachteil, die fixe Drehzahl zwingt daneben auch zu vielen verfahrenstechnischen Einschränkungen, welche oftmals zu längeren Mischzeiten oder mehr Mischstufen führen.

Auf das Anforderungsprofil zugeschnittene Antriebstechnik

Neben diesem generellen Trend zu AC-Antrieben untersucht die HF Mixing Group in einem Kooperationsprojekt mit den Firmen Siemens und Flender, ob mit speziell auf das komplexe Anforderungsprofil des Kneters zugeschnittenen Antriebssystemen weitere Effizienzsteigerungen möglich sind. Ein jüngst installiertes modulares Antriebssystem arbeitet dabei mit vier Motoren, welche über ein Spezialgetriebe den Mischer antreiben. Je nach Auslastung der Maschine werden nun ein bis vier Motoren zugeschaltet. Hierdurch wird gewährleistet, dass die Motoren stets im Bereich nahe der Nennlast – und damit im optimalen Wirkungsgradbereich – betrieben werden. Erste Versuche zeigen hier ein Optimierungspotenzial von 5 bis 8% auf. Auf den oben definierten 190 Liter Mischer bezogen würde eine Wirkungsgrad-Verbesserung auf 85% eine weitere Einsparung von etwa 25.000 Euro pro Jahr bedeuten.

Pneumatik statt Hydraulik

Neben den genannten Einsparungen am Hauptantrieb sind noch viele weitere Optimierungspotenziale denkbar. Seit ca. 15 Jahren verdrängen hydraulische Stempeldruckeinrichtungen zunehmend Pneumatische. Für einen durchnittlichen Kneter der Reifenindustrie sind hier Einsparungen von etwa
60 kW zu erwarten. Wird der hydraulische Stempel dann auch noch mit einer eigenen Intelligenz ausgestattet („iRam“), so können durch eine Stempeldruck- oder Stempelwegregelung erhebliche verfahrenstechnische Reserven gehoben werden. Wie vielfältige praktische Erfahrungen zeigen, können durch eine Stempelwegregelung zum Beispiel oftmals Lüftschritte weggelassen werden. Die praktischen Resultate zeigen dabei Mischzeitverkürzungen von bis zu 25% auf. Auch hierdurch sind erhebliche Energiemengen einsparbar!

Regelbarkeit der Staubabdichtungen

Direkt am Kneter wirken auch neueste Entwicklungen der HF Mixing Group. Ein Beispiel ist, die Staubabdichtung zu regeln. In dem noch laufenden Entwicklungsvorhaben wird angestrebt, die Staubabdichtungsringe immer mit dem prozessbedingt notwendigen Druck aufeinanderzudrücken, so dass ein Öffnen sicher verhindert wird. Heute liegt dieser Druck während der gesamten Betriebszeit konstant an. Einzige Bedingung für die Regelbarkeit der Staubabdichtungen ist die hydraulische Einzelansteuerung der Abdichtungen, wie sie das WCH System der HF Mixing Group gewährleistet.
Ein Kneter verhält sich damit wie ein Bremsenprüfstand, denn vier Ringe drücken ständig gegen die zwei Rotoren und hemmen deren Drehung. Durch eine geregelte Staubabdichtung sollten daher Energieeinsparungen im Bereich von 20 bis 30 kW vorstellbar sein – von anderen Vorteilen wie niedrigeren Staubabdichtungstemperaturen oder längerer Lebensdauer ganz zu schweigen.

Ganzheitliche Betrachtung des Mischprozesses

Blickt man in das Umfeld des Kneters, so können Temperiergeräte heute ebenfalls energieeffizient ausgeführt werden. So kann deren Pumpe beispielsweise bedarfsgerecht Drehzahl geregelt betrieben werden. Bei den Nachfolgeaggregaten des Kneters im Unterland sollten die installierten Antriebe ebenfalls betrachtet werden. Auch bei diesen Maschinen sind erhebliche Antriebsleistungen von 300 kW bei einem Convex 12 installiert. Oftmals sind auch hier noch alte Antriebskonzepte wie Gleichstrom- oder Hydraulikantriebe im Einsatz, welche in Bezug auf Effizienz in der Regel noch erhebliche Reserven bieten.
Durch eine ganzheitliche Betrachtung des Mischprozesses sind hohe Einsparpotenziale erschließbar. Eine umfassende Automatisierung des Gesamtsystems „Mischerlinie“ kann darüber hinaus noch weitere Ineffizienzen beseitigen. So macht es auch Sinn, bei Störungen, welche einen Stillstand der Mischerlinie erzwingen, zum Beispiel der Ausfall einer Waage oder der Batch Off Anlage, Verbraucher wie Ventilatoren der Batch Off, Pumpen der Temperiergeräte oder den Hauptantrieb des Kneters auszuschalten. Lastspitzen, die entstehen können, wenn in mehreren Linien besonders leistungsintensive Mischungen gleichzeitig gefahren werden, sollten vermieden werden. Das gelingt durch ein linienübergreifendes Energiemanagement, womit sich Bereitstellungskosten vermindern lassen.

Nachgehakt
Schneller und effizienter mit neuer Technik am Markt

Der Zusammenschluss der drei Unternehmen Farrel, Pomini Rubber&Plastics und Harburg-Freudenberger zur HF Mixing Group liegt nun drei Jahre zurück. Inzwischen hat sich das Unternehmen neu formiert und ist zusammengewachsen. Es stärkt seine Marke und ist damit weltweit präsent. Der Geschäftsführer Prof. Andreas Limper schildert im Interview wie Verarbeiter von der Fusion profitieren sollen und welche technischen Möglichkeiten für zukunftsfähige Produkte bestehen.

„Letztlich ist ein effizienteres Unternehmen immer im Sinne der Kunden.“
Prof. Andreas Limper, Geschäftsführer, HF Mixing Group, Freudenberg

KGK:  Die Fusion der Einzelunternehmen zur HF Mixing Group war und ist eine große Herausforderung, intern und extern. Welchen Nutzen kann daraus der Anwender ziehen?
Limper: Die Anwender sind die eigentlichen Nutznießer der Fusion. Im Vertrieb hat sich beispielsweise die Anzahl der Gebietsverkäufer -im Vergleich zu den vorherigen Einzelunternehmen- stark erhöht. Dies gibt uns die Gelegenheit zu intensiveren Kundenkontakten. Im Engineering beschäftigen sich die jeweiligen Teams jetzt mit weniger Produktgruppen. Bedenkt man, dass durch die „best of best“ Initiative (die Übertragung der technisch jeweils besten Teillösungen in ein besseres neues Gesamtprodukt) alle Unternehmen einen Entwicklungssprung gemacht haben, wird deutlich, dass wir bessere Produkte in kürzerer Zeit entwickeln werden.
In den Produktionen und Fertigungen der jeweiligen Werke gibt es natürlich auch eine Menge Synergien. All diese Potenziale wirken „nach außen“, also zum Kunden hin. Aber auch nach innen, gibt es viele positive Effekte durch die Zusammenlegung der Unternehmen etwa in den Bereichen IT, Controlling, Einkauf und Human Ressources. Letztlich ist ein effizienteres Unternehmen immer im Sinne der Kunden. Die nun erreichte Unternehmensgröße erlaubt uns darüber hinaus Dinge, welche keines der Einzelunternehmen sich hätte leisten können – etwa der Bau des hochmodernen Technikums in Freudenberg. Ich sehe auch hier einen großen Kundennutzen, da eine Einrichtung dieser Art bislang am Markt nicht verfügbar war. Im Bereich der Automation ist -last but not least- auch eine Mindestmannschaftsstärke erforderlich um Software professionell entwickeln zu können.

KGK: Mit dem Wachstum der HF Mixing Group soll auch der Service für die Anwender steigen. Wie wird das im Detail aussehen? Bieten Sie beispielsweise einen besonders schnellen vor-Ort-Service, kostengünstige Wartungsverträge oder vielleicht eine intelligente vorausschauende Wartung an?
Limper: Im Bereich Service sind die Verbesserungen für unsere Kunden besonders augenfällig. Wir besitzen nun sechs Werke weltweit , welche auch jeweils als Servicestandorte fungieren. Darüber hinaus haben wir eigene Service- und Vertriebsstandorte in Paris, Prag, Qingdao und Singapur. Joint Ventures in Malaysia und Indien geben uns außerdem noch eine größere Kundennähe in Fernost. All diese Aktivitäten hätte ein Teilunternehmen für sich nicht stemmen können. Die Vorteile für unsere Kunden liegen auf der Hand: Lokale Kundenbetreuung in Landessprache, mit lokalem Servicepersonal aber mit dem Backup einer größeren Gruppe. Über Wartungsverträge können die Kunden mit uns gemeinsam ihre Anlagen vorausschauend betreuen, wobei unsere neu entwickelte Software ELCI eine große Hilfe ist. Mit ihr können wir, basierend auf Messungen im Feld und unserer gesammelten Erfahrung den Verschleiß einzelner Mischerkomponenten prognostizieren , so dass sich die Kunden mit großem zeitlichen Vorlauf auf anstehende Wartungsarbeiten vorbereiten können.

KGK: Ein wichtiger Trend ist der Leichtbau im Automobilbau. Dazu gehören auch rollwiderstandsarme Reifen. Hierzu tragen die Rohstoffe wesentliche bei. Welche Rolle spielen für die Entwicklung und Herstellung solcher Reifen die Produktionsanlagen?
Limper: Gerade für die Mischtechnik sind die Anforderungen groß. Die Silika Mischungen in der Reifenindustrie machen es erforderlich, dass der Mischer auch als Reaktor fungiert. In Punkto Temperaturführung und Temperaturbeherrschung werden hier extrem hohe Anforderungen gestellt, welche mit einer vermehrten Verwendung von S-Sbr Kautschuken noch weiter wachsen. Neben diesen prozesstechnischen Anforderungen sind auch in Punkto Verschleißschutz und Oberflächenbeschichtung neue Herausforderungen zu meistern. Silika Mischungen sind sehr stark verschleissfördernd und neigen – vor allem im teilsilanisierten Zustand – zum Kleben.
Hier hat unsere Gruppe in Kooperation mit Kunden in jüngster Vergangenheit erhebliche Fortschritte erzielt. Die Laufflächen der neuen Grünen Reifen sind mit älteren Mischern aus all diesen Gründen nicht wirtschaftlich herstellbar. Moderne Kneter bieten hier erhebliche Vorteile. Bekommt man dann noch Gelegenheit ein neues Mischsystem – das Tandemmischverfahren – einzuführen, ergibt sich ein weiterer Schub an Optimierungsmöglichkeiten. Für das Tandemverfahren sind die Vorteile für Silika Mischungen offensichtlich. Sie werden daher vom Markt entsprechend wahr genommen. Die Erfahrung der Anwender zeigt aber auch deutliche Vorteile der Anwendung des Verfahrens für traditionelle Ruß-  oder auch Fertigmischungen.

Im aktuell erschienenen Magazin HF mixing together präsentiert das Unternehmen seine Philosophie, berichtet über Techniktrends und gibt einen Einblick in die Arbeit. Zu beziehen ist das Firmenmagazin bei
Melanie Jahn, melanie.jahn@hf-group.com

Über den Autor

Prof. Andreas Limper, Geschäftsführer, HF Mixing Group, Freudenberg