In petrochemischen Raffinerien werden chemische Produkte aus Rohöl oder Erdgas mittels Cracking-Verfahren hergestellt. Foto: Watlow Electric Manufacturing Company
04.01.2023 – Petrochemische Prozesse werden traditionell mit fossilen Brennstoffen beheizt, aber der Druck, Kohlendioxidemissionen zu verringern und die langfristigen Dekarbonisierungsziele zu erreichen, nimmt stetig zu. Mit fossilen Brennstoffen beheizte thermische Prozesse lassen große Schuhe zurück, die es zu füllen gilt. Elektrische Prozessheizungen werfen deshalb oft zwei große Fragen auf: Wie groß kann eine Elektroheizung sein? Und wie lässt sich eine ordnungsgemäße Regelung großer Elektroheizungen gewährleisten? Dennis Long, Chief System Designer beim Hersteller von industriellen Elektrogeräten Watlow, beantwortet diese Fragen und erklärt, weshalb die Wahl einer elektrischen Lösung entscheidend ist.
Die Prozessheizungen zugrunde liegende Technologie hat sich in den letzten zehn Jahren dramatisch verändert. Das sind gute Nachrichten für die Industrie, da Elektroheizungen in der Lage sein müssen, zumindest die gleiche Leistung bereitzustellen, die Petrochemie-Ingenieure bisher von mit fossilen Brennstoffen betriebenen Heizungen erwartet haben.
Elektrische Prozessheizung vs. fossile Brennstoffe
Um den Ersatz fossiler Brennstoffe überhaupt in Betracht ziehen zu können, brauchen wir ein klares Verständnis der gegenwärtig von elektrischen Prozessheizungen gebotenen Möglichkeiten. Beispielsweise macht ein Ersatz keinen Sinn, wenn Elektroheizungen die Größe und Leistung fehlen, die zum Beheizen gegenwärtig von fossilen Brennstoffen abhängiger Prozesse erforderlich sind. Viele dieser Prozesse würden größere, weit über dem üblichen 1-Megawatt-Bereich (MW) arbeitende elektrische Heizsysteme erfordern, wie zum Beispiel beim Fluid Catalytic Cracking (FCC) verwendete Heizanlagen mit einer Leistung von zwischen 150 und 200 MW.
In Anlagen dieser Größe kann ein einzelner Behälter zwei Wärmetauscherbündel enthalten. Bei einer solchen Auslegung ist ein einzelner Prozessbehälter mit einer Leistung von 15 MW oder mehr realisierbar. Die wenigen Anbieter, die Elektroheizungen dieser Größenordnung bereitstellen, können die Leistung je nach technischen Anforderungen erhöhen oder senken. Eine derartige Größe und Leistung bieten eine praktikable Alternative für Anlagen, die derzeit mit fossilen Brennstoffen beheizt werden.
Elektrische Heizsysteme und Wärmetauscher bieten neben dem reduzierten Bedarf an fossilen Brennstoffen weitere gut belegte Vorteile, wie etwa eine geringere thermische Trägheit, einen sichereren Betrieb, da keine fossilen Brennstoffe zu verbrennen sind, und einen insgesamt geringeren Fußabdruck.
Die Kontrolle behalten
Die meisten Ingenieure haben elektrische Prozessheizungen und Wärmetauscher dieser Größen oder dieses Leistungsvermögens noch nie gesehen. Bei einigen der häufigsten Fragen zu größeren Prozessheizungen geht es deshalb natürlich um die Steuerung sowie darum, welche zusätzlichen Elemente zum Hochfahren der Heizungen erforderlich sind, und wie sich dies auf das vorhandene elektrische System auswirkt.
Nur weil bisher nicht alle Prozesse in der petrochemischen Industrie mit größeren elektrischen Heizanlagen beheizt wurden, bedeutet dies nicht, dass die Technologie unerprobt ist. Das wäre weit von der Wirklichkeit entfernt.
Praxisbewährte Leistungsschaltgeräte für Mittelspannungs-Prozessheizungen und -Elektromotoren werden seit Jahren in vielen Branchen eingesetzt, und die Spannungsregelung ist ebenfalls gut ausgereift.
Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) schalten Heizanlagen so zu, dass keine Probleme für andere an dieselbe Stromquelle angeschlossene Geräte entstehen. Heizung und Steuerung sind Teil eines geschlossenen Regelkreises, der die Integration optimiert und mehr Kontrolle über das gesamte System ermöglicht. Diese in anderen Anwendungen bewährte Technik senkt das Risiko für Prozessheizungen in der Petrochemie.
Technologien, die die Energiewende vorantreiben
Es lohnt sich, einige der Technologien in Betracht zu ziehen, die elektrische Prozessheizungen und Wärmetauscher zu vielversprechenden Kandidaten für den Ersatz von herkömmlichen Heizungen machen. Mit CHF-Technik (Continuous Helical Flow) ausgestattete Heizungen spielen eine entscheidende Rolle dabei, große elektrische Prozessheizungen robuster und wirtschaftlicher zu machen.
CHF eliminiert als diskrete Elemente angeordnete Leitbleche der Heizanlage und verwendet stattdessen eine einzige durchgehende Spirale, die sich um die Innenschale der Heizung windet. Die so erzwungene drehende und spiralförmige Strömung bewirkt einen noch besseren Wärmeübertragungskoeffizienten pro Druckabfall pro Einheit. Das bedeutet, dass Heizgeräte mit CHF-Technologie wie der HELIMAX®-Wärmetauscher von Watlow keine Totzonen oder Bereiche mit unzureichender Strömung aufweisen. Da die Strömung nicht unterbrochen wird, reduziert sich die Anzahl von Hot-Spots und folglich das Fouling der Anlage.
Ein einziges austauschbares HELIMAX-Bündel kann selbst bei einem geringeren Platzbedarf als brennstoffbasierte Wärmetauscher eine Nennleistung im 5-Megawatt-Bereich bereitstellen. Kombiniert mit dem reduzierten Wartungsbedarf für Verkokung resultiert diese Effizienz in einem Produkt, das die Produktivität steigert und dabei auch noch zur Dekarbonisierung beiträgt.
Darüber hinaus ist die Verfügbarkeit schnell ansprechender, zuverlässiger Regelsysteme für alle größeren, modernen Wärmetauscher von entscheidender Bedeutung, insbesondere in der Erdölverarbeitung, wo sich Fehler als extrem kostspielig erweisen können. Ingenieure beginnen jetzt, sich zweier Aspekte bewusst zu werden. Zum einen gibt es weit mehr Möglichkeiten, elektrische Prozessheizsysteme mit weit weniger Größenbeschränkungen einzusetzen, als sich Energie- und Umweltingenieure bisher vorgestellt haben, und zum anderen demonstriert die präzise Regelung der Prozess- und Manteltemperaturen die Kontrolle und Steuerung dieser im Megawattbereich arbeitenden Heizsysteme.
Die Industrie muss Hindernisse aus dem Weg räumen, die der Energiewende im Wege stehen, um saubere, effiziente und zuverlässige Lösungen für die Elektrifizierung von Prozessen zu bieten, die herkömmlicherweise mit fossilen Brennstoffen beheizt werden. Die Zusammenarbeit mit einem zuverlässigen Partner für die Elektrifizierung von Prozessheizungssystemen bietet einen der einfachsten Wege zum Erreichen von Klimaschutzzielen, ohne die Produktivität oder Rentabilität zu beeinträchtigen. (jr)