Kreislaufführung von Prozesswasser

Wasser spielt eine zentrale Rolle in verschiedenen industriellen Prozessen, insbesondere bei der Kühlung von Anlagen, der Reinigung von Maschinen und Produkten sowie als Trägermedium für Energie in Produktionsprozessen und der Gebäudetechnik. Durch die Kreislaufführung und Aufbereitung von Prozesswasser kann der Frischwasserverbrauch deutlich reduziert werden. Dadurch wird nicht nur die Umwelt geschützt, sondern Unternehmen können gleichzeitig Kosten einsparen. 

Folgende Abbildung zeigt beispielhaft einen geschlossenen Wasserkreislauf.

© Eigene Darstellung auf Basis von Stiefel, R. (2014): Abwasser-Kreislaufführung [online], 23.05.2018 [abgerufen am: 28.08.2024], verfügbar unter: https://paeger-consulting.de/html/abwasser.html

Prozesswasser

Bei der Nutzung des Wassers während des Verarbeitungsprozesses sollte bereits auf die Effizienz geachtet werden, indem nur so viel Wasser wie notwendig verwendet wird.

Aufbereitung

Die Aufbereitung kann in die Werkstoffrückgewinnung und die Energierückgewinnung differenziert werden.

• Werkstoffrückgewinnung: Werkstoffe, die bei der Bearbeitung mit dem Prozesswasser abgeführt werden (z. B. Späne bei der spanenden Bearbeitung), werden aus dem Abwasser gefiltert. Die Wahl der Prozesse für diese Trennung hängt von der Art der vorhandenen Werkstoffe ab.
• Energierückgewinnung: Bei der Energierückgewinnung wird versucht, die entstandene Wärme mithilfe eines Wärmetauschers aus dem Medium zurückzugewinnen und in anderen Prozessen wiederzuverwenden.

Recycling

Beim anschließenden Recycling wird das Wasser durch zusätzliche Aufbereitungsverfahren so gefiltert, dass es die betriebsinternen Qualitätsnormen erfüllt. Dadurch werden Schäden an Produkten oder Anlagen vermieden und das Wasser kann wieder in den Produktionsprozess eingespeist werden.

Regenwassernutzung

Wasserverluste, die in der Produktion oder bei der Aufbereitung entstehen, können durch die Nutzung von Regenwasser ausgeglichen werden. Regenwasser kann dazu als Ersatz für Frischwasser verwendet werden.* Dr. Rolf Stiefel (2021): Nachhaltige Kreislaufführung von Prozesswässern (online) (abgerufen am: 21.06.2024).

Kaskadennutzung

Die Kaskadennutzung von Prozesswasser verfolgt das Ziel, Wasser möglichst lange im Wertschöpfungssystem zu halten. Als Beispiel dafür wird in der nachfolgenden Abbildung ein industrieller Spülvorgang gezeigt. Im Gegensatz zu den weitverbreiteten Einmal-Spülvorgängen, bei denen das Wasser nach jedem Spülvorgang vollständig ausgetauscht wird, findet bei der Kaskadenspülung eine Mehrfachnutzung in voneinander getrennten Spülvorgängen mit demselben Spülwasser statt. 

© VDI ZRE

Bei der Kaskadenspülung fließt das Spülwasser von einem Becken in das nächste, wobei die zu reinigenden Werkstücke im Gegenstrom vom letzten zum ersten Becken bewegt werden. So kommen die Werkstücke nacheinander immer mit saubererem Wasser in Kontakt.* VDI Zentrum Ressourceneffizienz (2022): Kaskadennutzung (online) (abgerufen am: 26.01.2022).

Recycling von Verlusten und Ausschuss in der Metallindustrie

Ausschüsse und Verluste sind in der Produktion unerwünscht, aber oft unvermeidlich. Diese entstehen entweder durch Qualitätsabweichungen oder durch technische Prozesse wie Verschnitt. 

Qualitätsabweichungen haben einen erheblichen Einfluss auf die Ressourceneffizienz. Wenn Produkte aufgrund von Mängeln oder geringfügigen Abweichungen von den Qualitätsstandards nicht weiterverarbeitet werden können und aussortiert werden müssen, gehen nicht nur die eingesetzten Rohstoffe verloren, sondern auch die bereits aufgewendete Energie. Um diesen Verlusten entgegenzuwirken, können verschiedene Maßnahmen und Strategien zur Steigerung der Produktionsqualität sowie zur Implementierung einer Kreislaufstrategie eingesetzt werden. Diese Strategien ermöglichen es, Materialien wieder in den Produktionsprozess zurückzuführen und somit die Ressourceneffizienz zu erhöhen.

Maßnahmen zur Steigerung der Produktionsqualität

Qualitätsregelkreise und Qualitätskontrollen: Durch kurzzyklische Qualitätsüberprüfungen am Ort des Entstehens und regelmäßige und umfassende Qualitätskontrollen während der Produktion können frühzeitig Abweichungen erkannt und korrigiert werden sowie unnötige Weiterverarbeitungen vermeiden werden. Durch Digitalisierungsmaßnahmen können kritische Prozesse überwacht und gesteuert werden. 

Schulung des Personals: Gut geschultes Personal ist in der Lage, potenzielle Fehlerquellen zu identifizieren und zu vermeiden.

Verbesserung der Produktionsprozesse: Eine kontinuierliche Optimierung der Produktionsprozesse kann die Entstehung von Mängeln reduzieren.

Implementierung einer internen Kreislaufstrategie (Recycling): Materialien, die aufgrund von Qualitätsabweichungen aussortiert wurden, können ggf. nachgearbeitet oder recycelt werden und wieder in den Produktionsprozess eingespeist werden.

Wiederverwendung: Produkte, die geringe Mängel aufweisen, können nach einer entsprechenden Nachbearbeitung verwendet werden.

Verluste innerhalb technischer Prozesse sind nicht immer vermeidbar. Allerdings gilt es, durch gezielte Analyse der Prozessabweichungen die Ursachen zu identifizieren und mittels daraus abgeleiteter Optimierungsmaßnahmen den Materialverlust so gering wie möglich zu halten und die bei der Bearbeitung entstehenden Verluste möglichst in den Kreislauf zurückzuführen.

Optimierungsmaßnahmen

Prozessanalyse: Eine detaillierte Analyse der Produktionsprozesse auf entstehende Verluste schafft die Grundlage ineffiziente Schritte zu identifizieren und Verbesserungspotenziale zu bestimmen. Die Entstehungsbezogene-Analyse der Verluste inkl. Bestimmung der Schwerpunkte ermöglicht eine priorisierte, effektbezogene Umsetzungsplanung.

Technologische Innovationen: Neue modern organisierte Produktionseinheiten können durch die Verwendung neuer Technologien und Steuerungsverfahren ganze Produktionsstufen ersetzen, beschleunigen und effizienter umsetzen. Hier ist zwischen verschieden Ansätzen zur Innovation zu unterscheiden, der Fertigungsprozess sowie die eingesetzte Technologie oder das Produkt selbst.

Beispiele:

• Additive Fertigung: Durch den Einsatz additiver Fertigungstechnologien können andere Verfahren, bei denen viel Material abgetragen wird (wie Drehen oder Fräsen), ersetzt werden. Es können komplexe Strukturen hergestellt werden, die sonst nur sehr aufwendig in mehreren Prozessschritten hergestellt werden könnten.
• Einsparung von Bearbeitungsstufen: Durch die zielgerichtete Fertigung auf die finale Maßtoleranz und Verwendung verbesserter Rohmaterialien, leistungsfähigerer Bearbeitungsmaschinen und -Werkzeuge (mit engerer maßlicher Prozessüberwachung inkl. aktiver Parameteranpassung) können die Aufwände und Verluste stark reduziert werden (z. B. Einsparung des Weichdrehens vor dem Hartdrehen).
• Dynamische Prozesssteuerung (Verschnittoptimierung): Anpassung des Auftragshorizontes zur Kombination unterschiedlicher Zuschnittaufträge. Entweder mit dem Ziel der Verschnittoptimierung (größerer Auftragsumfang mit bewusster Inkaufnahme von Vorfertigung und Lagerhaltung) oder mit dem Ziel der Durchlaufzeitoptimierung (kleinerer Auftragsumfang, mit der Inkaufnahme erhöhten Verschnitts).