Zentrifugen auf dem neuesten Stand der Nachhaltigkeit

Die große Aufgabe des Hinterfragens und Optimierens

Erfolg wird bei GEA nie langweilig. Im Gegenteil: Er ist Ansporn. „Wir streben nicht nur um der Effizienzsteigerung und Ressourcenschonung willen danach - es ist Teil unserer Unternehmens-DNA“, sagt Mackel. „Wir haben schon immer darauf hingearbeitet, bessere Leistungen und effizientere Maschinen mit weniger Verschleiß und Wartung zu erreichen, ganz zu schweigen von einem geringeren Energie- und Wasserverbrauch.“

Doch mit der Zeit wurde Nachhaltigkeit immer wichtiger. „Deshalb haben wir alle relevanten Parameter unter die Lupe genommen, den gesamten Lebenszyklus aus Nachhaltigkeitsperspektive betrachtet und einen neuen Ansatz für unser Design gewählt“, sagt er.

Und Becker ergänzt: „Am Anfang stehen immer Fragen, die heute mehr denn je von den Themen Nachhaltigkeit und Wirtschaftlichkeit geprägt sind. Warum kostet der Betrieb einer Zentrifuge so viel? Wo wird Energie ineffizient eingesetzt? Wo gibt es Einsparpotenziale bei Wasser und Clean-in-Place (CIP)-Medien? Danach evaluieren wir die betrieblichen und technischen Möglichkeiten zur Verbrauchsreduzierung.“ 

Das ist eine Abkehr von früheren Iterationen. „Wenn wir früher eine neue Maschine bauen wollten, haben wir mehr Leistung eingebaut – in der Regel in Form einer höheren Geschwindigkeit – und den Durchmesser der Trommel so klein wie möglich gehalten“, sagt Mackel. „Mehr Leistung in Form von Drehzahl spart Investitionskosten, also Kapitalkosten, aber der höhere Stromverbrauch erhöht dann die Betriebs- und damit die laufenden Kosten.“ 

Noch vor wenigen Jahren war der Strompreis kaum ein Thema. Heute ist das anders. „Wir denken jetzt andersherum, entwerfen größere Trommeldurchmesser und bauen die Maschinen so, dass sie langsamer laufen – 10 % weniger Geschwindigkeit bedeutet gleich 20 % weniger Energieverbrauch“, sagt er. „Das liegt daran, dass die Kunden auf die Kilowattstunde achten – ein besonders heikler Punkt, wenn es um die Kosten geht.“

Gleiches gilt für die Antriebskonzepte, bei denen verschiedene Wirkungsgradverluste auftreten. Mit dem GEA Direktantrieb konnten diese Verluste auf ein Minimum reduziert werden. Zudem sind diese Konzepte wartungsarm, platzsparend und mit großen Motoren kompatibel. In der Vergangenheit haben sich Ingenieure auf das Produkt konzentriert – höhere Ausbeute, bessere Qualität. Heute sind diese Faktoren oft ausgereizt. „Wir schauen immer mehr darauf, wie viel Energie und Wasser die Maschine über ihre gesamte Lebensdauer verbraucht", sagt Mackel. Früher wurde zum Beispiel sieben Sekunden lang Steuerwasser zugeführt, heute reichen zwei Sekunden. In der Summe macht das einen großen Unterschied.

Und natürlich zählen auch die GEA-eigenen Produktionsparameter. Hier geht es darum, so wenig direkte und indirekte Energie wie möglich zu verbrauchen und so wenig Material wie möglich in der Produktion einzusetzen. Mackel relativiert: „Was wir intern einsparen, ist aber nur ein Bruchteil dessen, was wir später beim Kunden über eine Maschinenlebensdauer von 20 bis 40 Jahren einsparen können.“

Die CO2-Bilanz von 150.000 Maschinen

Energie, Wasser und Material – diese Daten müssen im Rahmen des Optimierungsprozesses genau gemessen und erfasst werden. Jedes Jahr werden sie für alle verkauften Maschinen ermittelt, insgesamt rund 150.000. „Wir kennen die Wirkungsgrade der eingebauten Motoren, die Einsatzgebiete und die voraussichtlichen Laufzeiten“, erklärt Mackel. Daraus lässt sich ableiten, wie viele Kilowattstunden jede Maschine pro Jahr verbraucht. (Eine Kilowattstunde verursacht je nach Land und Region bis zu 0,9 kg CO2.) 

Strom ist natürlich nicht gleich Strom. Kunden, die Ökostrom aus Wasser- oder Windkraft nutzen, haben eine ganz andere Bilanz als Kunden, die fossile Brennstoffe verwenden. Auch die Maschine selbst lässt sich bis in ihre Einzelteile zurückverfolgen, um sie später zu recyceln. „Wir denken in Rohstoffen statt in Abfällen – ganz im Sinne der Kreislaufwirtschaft“, so Mackel. „Die großen Trommeln der Separatoren können bis zu 30 Jahre in Betrieb bleiben. Am Ende ihrer Lebensdauer werden sie eingeschmolzen und dem Prozess wieder zugeführt.“

Nichts verschwenden ist das Ziel

Wasser ist eine der kostbarsten Ressourcen der Welt und wird auch für den Betrieb von Zentrifugen benötigt. Das meiste Wasser wird entweder als Kühlwasser – sowohl für den Motor als auch zur Kühlung und zum Schutz des Produkts vor Reibungswärme – oder als Steuerwasser für den Entleerungsprozess verbraucht. Da Zentrifugen häufig entleert werden – manchmal alle zwei bis drei Minuten – kann viel Wasser eingespart werden. Während früher sieben Sekunden Steuerwasser zugegeben wurde, reichen heute zwei Sekunden – und eine Sekunde Steuerwasser entspricht etwa einem Liter Wasser“, sagt Jürgen Mackel. „Wir arbeiten derzeit auch an Lösungen, wie wir das von 20 auf 40 Grad erwärmte Kühlwasser an anderer Stelle im Prozess nutzen können. Das sind im Schnitt mehr als 150 Liter pro Stunde. Früher verschwand das Wasser in der Kanalisation, heute wird es nicht nur zum Händewaschen verwendet, sondern es ist sogar trinkbar, weil wir geschlossene Systeme haben.“

Ebenso wichtig ist der Energieverbrauch der Zentrifuge. Hier wurden zwei Energiesparkonzepte entwickelt: EngySpeed für Separatoren mit größerem Durchmesser und geringerer Drehzahl und EngyVac mit einem Vakuum zwischen Trommel und Haube. Bei EngySpeed bleiben die Klärfläche, der Durchsatz und die Trennleistung gleich, unabhängig davon, ob die Maschine kleiner ist und schnell rotiert, oder ob sie größer ist und langsamer rotiert. „Die Drehgeschwindigkeit hat einen größeren Einfluss auf die Reibung als der Durchmesser“, erklärt Mackel. „Die bewährte Methode, Energie zu sparen, ist daher, die Geschwindigkeit auf ein Viertel des Wertes von kleinen, schnellen Maschinen zu reduzieren.“ 

Doch wie schnell macht sich ein größerer Trommeldurchmesser durch Energieeinsparung bezahlt? Ein typisches Beispiel aus der Milchwirtschaft: Bei einer durchschnittlichen Betriebszeit von 6.000 Stunden pro Jahr und einem Durchsatz von 25.000 l/h bei einem geschätzten Strompreis von 30 ct/kWh amortisiert sich die größere Anlage durch die Energieeinsparung in 2,6 Jahren. „Ein großer Vorteil gegenüber Vakuummaschinen ist, dass kein zusätzliches Aggregat benötigt wird“, sagt Becker. „Mit anderen Worten: Der Kunde erhält eine Standardmaschine und ein Servicekonzept für die größere Maschine, deren Kosten mit denen der kleineren vergleichbar sind.“ Die große Maschine mit EngySpeed dreht langsamer und hat daher längere Wartungsintervalle für bestimmte Baugruppen. Dies ist besonders wichtig in der Milchwirtschaft, wo es eine vertragliche Verpflichtung zur Milchlieferung gibt.

EngyVac wird typischerweise in größeren Produktionslinien und Zentrifugen im oberen Leistungsbereich eingesetzt, wo eine Reduzierung der Drehzahl keine Option ist. Hier ist die Amortisation oft nicht der entscheidende Faktor für die Investition in nachhaltige Anlagen. Stattdessen spielt die Erfüllung gesetzlicher Vorgaben zur Energieeinsparung oder das Erreichen von Nachhaltigkeitszielen oft eine größere Rolle.

CIP – eine Nebenrolle mit echtem Verbesserungspotenzial

Eine weitere Idee ist, Reinigungsmedien, CIP-Flüssigkeiten, mit einem Klär-Separator zu reinigen, um Feststoffe zu entfernen, damit das Medium wiederverwendet werden kann. Das weiß der Produktmanager aus Erfahrung: „Gerade in der Molkereibranche gibt es Fälle, in denen täglich Dutzende Tonnen CIP-Flüssigkeiten einfach entsorgt werden“, sagt Becker. Der GEA CIPClean Separator reduziert die Umweltbelastung, senkt den Wasserverbrauch und senkt den Energiebedarf für die Aufbereitung von frischem CIP-Medium. Die recycelte CIP-Flüssigkeit behält ihre Restwärme.

Die Macht der Geschwindigkeit und andere variable Parameter

Irgendwann stoßen Konstrukteure an ihre Grenzen. Dann kommen intelligente Automatisierungslösungen ins Spiel – wie InsightPartner Separation. „Automatisierung ist der neue Schlüssel zum Sparen: Perfekte Leistung, wenn sie gebraucht wird“, sagt Becker. „Und proaktiver Service, um vorausschauende Berechnungen mit maximaler Betriebszeit zu erstellen.“

Interessant wird es auch rund um die Daten sammelnden Sensoren, die bei der Steuerung der Zentrifugen helfen. „Wir betreten gerne Neuland, wenn es um die Grenzen des Machbaren in der Konstruktion geht: Das macht unsere Arbeit bei GEA so spannend“, sagt Becker. „Seit mehr als 130 Jahren denken wir Zentrifugen neu, und das werden wir auch in den nächsten 130 Jahren tun. Und wir bleiben neugierig.“

Dass bei GEA nichts dem Zufall überlassen wird, versteht sich von selbst. „Das Innovationsmanagement des Unternehmens fördert auch eine Innovation Community“, ergänzt Mackel. „Jeder einzelne ist gefordert, zur Innovation beizutragen, und das kann und soll Spaß machen.“