RM Rudolf Müller
Das Märchen von der Energieeffizienz im Anlagenbau (Ergebnis einer schadhaften Rohrdämmung an einer Anlage)

Abb. 1: Ergebnis einer schadhaften Rohrdämmung an einer Anlage. (Foto: TIPCHECK/Eiif)

 
Planung
06. November 2019 | Artikel teilen Artikel teilen

Das Märchen von der Energieeffizienz im Anlagenbau

Kommentar: Der Klimaschutzplan 2050 der Bundesregierung, der seit 2016 Bestand hat, sieht einen weitestgehend CO2-neutralen Schadstoffausstoß vor. Dabei definiert er die Minderungsziele stufenweise (mind. 55 % bis 2030, mind. 70 % bis 2040). Ein ehrbarer Plan. Doch ohne gesetzliche Richtwerte für den Anlagenbau ist das kaum zu schaffen.

Von Gyna Galvis + Gerd Gollenstede. Der Klimaschutzplan der Bundesregierung schwebt über der Wirtschaft. So soll beispielsweise der Verkehrsbereich CO2-Emissionen bis 2021 um 42 % reduzieren im Vergleich zu 1990  (im Mittel wurde der zulässige CO2-Ausstoß für Pkw auf 95 g pro Kilometer festgesetzt). Die Industrie indes ist angehalten, bis 2030 im Vergleich zu den Werten von 1990 ihren CO2-Ausstoß sogar um 51 % zu mindern. Das könnte unter Umständen gelingen – immer vorausgesetzt, die Industriebereiche haben eine Handhabe zur Umsetzung.

Hervorragende Möglichkeiten bietet in der Hinsicht der Bereich der Wärme- und Kältedämmungen für betriebstechnische Anlagen in der Industrie. Dämmarbeiten sind in Deutschland grundsätzlich über die DIN 4140 geregelt.

Anforderungen an die Dämmdicken für den Bereich der TGA

Die Mindestdämmanforderungen und -dicken finden sich in der EnEV (Energie-Einsparverordnung) mit der letzten Novellierung von 2016 in Anlage 5. Zweck und Anwendungsbereich beziehen sich auf die Einsparung von Energie in Gebäuden. Sie gilt für Anlagen und Einrichtungen. Für Wärmeverteilungsleitungen ist gemäß Tabelle 1 bei einem Innendurchmesser ab 100 mm eine Mindestdämmdicke von 100 mm (WLG 35) vorgesehen. Bei einer Auslegungstemperatur von 55 °C für den Vorlauf resultiert daraus ein Wärmestrom von knapp 8 W/m.

Gemäß der EnEV ist für Außenwände einschließlich Einbauten ein maximaler U-Wert von 0,21 W/(m²K) zulässig. Bei einer äußeren Jahresmitteltemperatur von 8 °C und einer Raumtemperatur von 20 °C entspricht dies einem Wärmestrom von knapp 2,6 W/m² (s. Tab. 1). (Auf die beiden Werte 8 W/m für die 100er-Rohrleitung und die ebene Wand mit 3 W/m² wird später wieder Bezug genommen.)

Das Märchen von der Energieeffizienz im Anlagenbau (Tabelle: Wärmetechnische Berechnungen gemäß EnEV. Material Mineralwolle MW)

Gesetzliche Anforderungen für Dämmarbeiten fehlen!

Die Anforderungen an den TGA-Bereich sind also entsprechend über die EnEV geregelt. Die EnEV gilt allerdings ausdrücklich nicht für den Energieeinsatz in Produktionsprozessen innerhalb und außerhalb von Gebäuden (vgl. EnEV 2016, § 1).

Aber welche gesetzlichen und/oder normativen Anforderungen an die Wärme- oder Kältedämmung für betriebstechnische Anlagen bezogen auf Dämmarbeiten im Bereich von chemischen Anlagen, Kraftwerken, Raffinerien o. Ä. bestehen in der Industrie? Auch wenn es kaum zu glauben ist: Es bestehen keine gesetzlichen Anforderungen für Dämmarbeiten an betriebstechnischen Anlagen in der Industrie. Nein, wirklich nicht!

Es bestehen nur unverbindliche Empfehlungen aus Normen bezüglich des Schutzes von Personen vor Verbrennungen an heißen Oberflächen oder hinsichtlich Anforderungen aus Förderprogrammen (Wärmespeicher oder Förderprogramm Querschnittstechnologien).

Somit erfolgt die Festlegung der Anforderungen an die Dämmungen am Ende immer in Eigenverantwortung durch den Anlagenbetreiber.

Anforderungen aus Normen und Richtlinien reichen nicht aus

Das Arbeitsblatt AGI Q 101 der Arbeitsgemeinschaft Industriebau e. V. (AGI), das sich mit den Dämmarbeiten an Kraftwerkskomponenten beschäftigt, empfiehlt gemäß Abschnitt 3.3.1, dass die Dämmschichtdicken für Kraftwerkskomponenten innerhalb und außerhalb von Gebäuden für eine maximale Wärmestromdichte von 150 W/m²
auszulegen sind, d. h., der Wärmestrom liegt im Kraftwerksbereich um den Faktor 50 über dem Wert einer Außenwand eines Wohngebäudes. Diese Empfehlung bezog sich ursprünglich auf große ebene Flächen von Kraftwerkskomponenten wie z. B. Kesselwände. Mangels Alternativen wird diese Empfehlung häufig auch für Rohrleitungen angewendet.

Für die DN-100-Rohrleitung eines Müllverbrennungskraftwerks mit einer Objekttemperatur von 270 °C ergibt sich ein Wärmestrom von ca. 115 W/m; im Vergleich zum TGA-Bereich entspricht dies dem Faktor 14!

Neue Dämmstoffe wären eine Lösung

Warum sind für Dämmarbeiten an betriebstechnischen Anlagen in der Industrie die üblichen Dämmdicken im Vergleich zu den Anforderungen aus der EnEV derart gering? Weil für den Betreiber der Anlage die Absicherung der Prozessparameter, die Vermeidung von Unfällen (Berührungsschutz) sowie der Schall- und Brandschutz im Vordergrund stehen. Durch kompakte Anlagen lassen sich die inneren Verluste zum Teil reduzieren. Auch wenn die Wärmeabgabe nach außen steigt, kann dies sehr wirtschaftlich sein. Der Prozess steht immer im Vordergrund.

Natürlich ist auch die Wirtschaftlichkeit ein maßgebender Faktor. Allerdings einer mit zwei Seiten oder genauer mit zwei Budgets. Während der Bauphase gilt es, die Baukosten zu reduzieren. Im späteren Betrieb sind die Kosten für Betrieb und Instandhaltung klein zu halten.

Da die Budgets für Kauf und Betrieb meistens in verschiedenen Händen sind, liegt der Fokus vorrangig auf einer Reduzierung der Investitionssumme. Eine Kostenbetrachtung über die Lebenszeit bzw. den Lebenszyklus der Anlage (TCO-Total Costs of Ownership) findet üblicherweise nicht statt.

Zum anderen ist auch die einfache Auslegung der Dämmdicken in der Projektierungsphase entscheidend. Für die wirtschaftliche Auslegung der Dämmdicke müssten dem Planer die wirtschaftlichen Rahmenbedingungen wie z. B. der Wärmepreis und die Kosten des Dämmsystems bekannt sein. Dies ist in der Regel nicht der Fall. Das 150-W/m²-Kriterium ist daher eine einfach zu greifende Größe, die von jedem Anbieter eingehalten werden kann.

Für Anlagen im Bestand sind auch die vorhandenen räumlichen Rahmenbedingungen zu beachten. Auch wenn sich die Anhebung der Dämmdicke für sich rechnen würde, muss der notwendige Bauraum vorhanden sein. Bei Anlagen, die vor Jahrzehnten geplant wurden, ist das häufig nicht der Fall. Neue Dämmstoffe mit deutlich geringeren Wärmeleitfähigkeiten wären die Lösung.

Benötigt werden robuste und günstige Dämmstoffe mit niedriger Wärmeleitfähigkeit. Benötigt werden sie, verfügbar sind sie nicht. So hat sich beispielsweise die Wärmeleitfähigkeit einer Mineralwolle-Drahtnetzmatte in den letzten 30 Jahren nur geringfügig geändert. Verfügbare Dämmstoffe auf microporöser Basis sind bezüglich Verarbeitung, Beständigkeit und Kosten im Vergleich mit den etabierten Mineralwolle-Dämmstoffen überwiegend nicht wirtschaftlich und werden eher in Nischenbereichen eingesetzt.

Wirtschaftliche Auslegung nach VDI 2055 (heute) oder VDI 4610 (in Zukunft)

Die wirtschaftliche Auslegung von Dämmsystemen erfolgt zurzeit noch gemäß VDI 2055, Blatt 1 (in Zukunft VDI 4610, Blatt 3). Die VDI 2055 definiert die wirtschaftliche Dämmschichtdicke als die Dämmschichtdicke, bei der – über die Nutzungszeit der Anlage gesehen – die Summe der Investitionskosten und der vorhandenen Wärmeverlustkosten ein Minimum ergibt.

Die wichtigsten Parameter für die Ermittlung der wirtschaftlichen Dämmdicke sind der Wärmepreis oder ggf. dessen Steigerung, die Wärmeleitfähigkeit des Dämmstoffs, die Investitionskosten, die vorgesehene Nutzungszeit der Anlage sowie die Kapitalkosten. Abbildung 2 verdeutlicht die Zusammenhänge.

Das Märchen von der Energieeffizienz im Anlagenbau (Wirtschaftliche Dämmschichtdicke für eine DN 100 Rohrleitung)

Abb. 2: Wirtschaftliche Dämmschichtdicke für eine DN 100 Rohrleitung. Parameter: 270 °C Innentemperatur, 30 ° C Umgebungstemperatur, Mineralwolle 80 kg/m³ mit Blechummantelung, 6.000 Betriebsstunden im Jahr, Wärmepreis 30 €/MWh, 10 % Kapitaldienstfaktor. (Abb.: KAEFER)

Mit zunehmender Dämmdicke steigen die Kosten für das Dämmsystem. Gleichzeitig sinken die Wärmeverlustkosten. Wie in Abbildung 2 dargestellt, ergibt sich eine wirtschaftliche Dämmdicke für die vorgesehene Nutzungszeit der Anlage. Zu beachten ist, dass sich mit einer zusätzlichen Aufstockung der Dämmdicke von 5 % die langfristigen Wärmeverluste um 25 % senken lassen.

Die Abbildung 2 verdeutlicht darüber hinaus das Potenzial bei wirtschaftlicher Auslegung von Dämmsystemen. Wirtschaftlich wäre für eine DN-100er-Leitung mit einer Prozesstemperatur von 270 °C ein Wärmestrom von 80 W/m. Aus der AGI Q 101 resultiert ein Wärmestrom von 150 W/m².

Das Märchen von der Energieeffizienz im Anlagenbau (Wirtschaftliche Wärmestromdichte)

Abb. 3: Wirtschaftliche Wärmestromdichte als Funktion von Temperatur und Rohrdurchmesser: DN 50, DN 100 und DN 250. Parameter: Mineralwolle 80 kg/m³ mit Blechummantelung, 6.000 Betriebsstunden, Wärmepreis 30 €/MWh, 10 % Kapitaldienstfaktor (Bild: Abb.: KAEFER)

Festlegung der Dämmdicke nach Energieeffizienzklassen (VDI 4610)

Um dem Planer eine einfache und wirtschaftliche Festlegung der Dämmdicken zu ermöglichen, hat die VDI 4610 Blatt 1 Energieeffizienzklassen festgelegt. Je nach Nutzungszeit und Wärmepreis wird zu Beginn für die Anlage eine der Effizienzklassen von A bis F gewählt. So kann z. B. für die auf 20 Betriebsjahre konzipierte Anlage mit jährlich 8.000 Betriebsstunden und einem hohen Energiepreis die Effizienzklasse B festgelegt werden. Für die Forschungsanlage mit wenigen jährlichen Betriebsstunden würde F vollkommen reichen.

Nachdem die Energieeffizienzklasse durch den Planer festgelegt worden ist, lassen sich für alle Komponenten die Anforderungen an die Dämmung festlegen – und dies ähnlich einfach wie bei dem 150-W/m²-Beispiel der AGI Q 101.

Das Märchen von der Energieeffizienz im Anlagenbau (Dämmdicken für ein DN 100er Rohr)

Abb. 4: Berechnete Dämmdicken gemäß AGI Q 101 (150 W/m²), wirtschaftliche Dämmschichtdicke gemäß VDI 2055 (Variante 1 und 2) und ökologische Dämmschichtdicke gemäß VDI 4610 (Referenzdämmdicke für Energieeffizienzklasse C) Parameter: DN-100-Rohrdurchmesser, wirtschaftliche Dämmdicke: 6.000 jährliche Betriebsstunden, Wärmepreis 30 €/MWH, wirtschaftliche Dämmdicke 1 wurde mit einem Kapitaldienstfaktor vom 10 % berechnet, wirtschaftliche Dämmdicke 2 wurde mit einem Kapitaldienstfaktor vom 20 % berechnet. (Abb.: KAEFER)

 

Dämmungen sind wartungsarm – aber nicht wartungsfrei

Bei richtiger Auslegung, Montage, Handhabung und Instandhaltung bieten Dämmsysteme einen langlebigen, zuverlässigen und wirtschaftlichen Wärme- oder Kälteschutz. Im Vergleich zu anderen technischen Systemen sind Dämmsysteme außerordentlich wartungsarm. Die weitverbreitete Annahme, Dämmsysteme seien auch wartungsfrei, ist jedoch falsch.

Neben Abnutzungs-, Alterungserscheinungen und mechanischen Beschädigungen sind auch Änderungen der Betriebsparameter sowie der Sicherheitsanforderungen zu beachten. Dämmsysteme sind statisch, sie reagieren nicht auf veränderte Rahmenbedingungen wie z. B. Prozessparameter und Energiepreise. Erfahrungen aus der Praxis belegen, dass in industriellen Anlagen bis zu 10 % und mehr der Anlagenteile ungedämmt sind oder eine beschädigte Isolierung aufweisen. Typisch sind Beschädigungen infolge Begehungen, mechanischen Einwirkungen oder schlicht fehlende Dämmungen an Einbauten wie Flanschen und Armaturen.

Zustand der Dämmungen an betriebstechnischen Anlagen in der Industrie

Typisch ist die Sanierung einer Dampfleitung mit DN 200 bei einer Betriebstemperatur von 330 °C. Die ursprüngliche Dämmdicke betrug 220 mm; bei einer intakten Dämmung hätte sich rechnerisch eine Oberflächentemperatur von 13,8 °C ergeben sollen. Gemessen wurde im Mittel eine Oberflächentemperatur von 21 °C. Das heißt, von der damals verbauten 220-mm-Dämmung waren noch 85 mm wirksam. Durch die Sanierung der beschädigten Dämmung konnte der Wärmestrom von 353 W/m auf 135 W/m halbiert werden. Die Amortisationszeit der Maßnahme betrug 1,4 Jahre.

Bei einer Gesamtlänge der zu sanierenden Leitung von 8.200 m betrug die Einsparung 14.905.140 kWh (8.200 m × 0,219 kW/m × 8.300 h). Dies entspricht dem durchschnittlichen Wärmeverbrauch von 600 Eigenheimen (www.effizienzhaus-online.de/energieverbrauch-haus).

Das Märchen von der Energieeffizienz im Anlagenbau (Tabelle: Wärmetechnische Berechnungen für eine DN 200er-Rohrleitung)

Das Märchen von der Energieeffizienz im Anlagenbau (Schadhafte Dämmung unter korrodiertem Metallmantel)

Abb. 5: Schadhafte Dämmung unter korrodiertem Metallmantel (Bild: Foto: TIPCHECK/Eiif)

Verluste sind messbar – und demnach abbaubar

Würden beschädigte bzw. ungedämmte Anlagenteile im Zuge einer Instandhaltungstätigkeit ertüchtigt, könnten gemäß einer Studie der Forschungsgesellschaft für Energiewirtschaft zwischen 0,2 bis 0,6 % des Gesamtbrennstoffverbrauchs eingespart werden.

Sicher gezeigt wird das durch TIPCHECK (Technical Insulation Performance Check), ein Optimierungstool, das die European Industrial Insulation Foundation (EIIF) entwickelte.

Dabei handelt es sich um ein standardisiertes Energie-Audit, mit dem Anlagenbetreiber Energieverluste infolge fehlender oder beschädigter Dämmungen und Isolierungen betriebstechnischer Anlagen ermitteln und einschätzen können. In einer Kosten-Nutzen-Analyse werden die Potenziale gezeigt. Dabei werden Anlagen systematisch in Bezug auf den Zustand von Wärme- und Kältedämmungen analysiert und Schwachstellen sowie Potentiale aufgezeigt.

Betriebssicherheit gepaart mit energetischem Gewinn

Neben dem energetischen Effekt erhöht sich mit einer fachgerechten Sanierung auch die Betriebssicherheit einer Anlage.

Feuchte Isolierung führt nicht nur zu einer verminderten Dämmwirkung, sondern kann auch zu einer optisch nicht kontrollierbaren Korrosion unterhalb der Isolierung (CUI-Corrosion Under Insolation) führen. CUI ist ein kritischer Aspekt für betriebstechnische Anlagen. Gemäß einer Exxon-Studie resultieren 40–60 % der Wartungskosten an Rohrleitungen aufs CUI. Nachlesen kann man dies in dem Technischen Brief Nr. 17 der Bundesfachgruppe WKSB im Hauptverband der deutschen Bauindustrie (HDB).

Das Märchen von der Energieeffizienz im Anlagenbau (Thermografieaufnahme einer DN-200er-Rohrleitung)

Abb. 6.1./6.2: Thermografieaufnahme einer DN-200er-Rohrleitung

Fazit

Um das Ziel, der Treibhausneutralität bis zum Jahr 2050 weitgehend zu erreichen, ist ein Umdenken notwendig. Denn das Sankt-Florians-Prinzip wird auch im Bereich des Klimaschutzes nicht helfen. Gesetzliche Regelungen für die Dämmung betriebstechnischer Anlagen sind praktisch nicht vorhanden. Zwar bietet die VDI 4610 für die Vordimensionierung im Planungsstadium ein einfaches Werkzeug zur Festlegung von Dämmdicken an, Richtwerte werden jedoch lediglich als Empfehlung wahrgenommen.

Bei bestehenden Anlagen können Effizienz und Betriebssicherheit gesteigert werden, sofern beschädigte bzw. ungedämmte Anlagenteile ertüchtigt werden. Die TIPCHECK-Initiative ist dafür ein gutes Beispiel. Die Betriebssicherheit der Anlage kann entsprechend erhöht werden (s. Technischer Brief Nr. 17, HDB).

Wenn wir also aufgerufen sind, zukünftig nachhaltig zu wirken, sollten wir den Bestand mit berücksichtigen. Immer vorausgesetzt also, dass das Budgetdenken überwunden und Dämmsysteme zukünftig nach mehr als wirtschaftlichen Kriterien ausgelegt werden, würden sich für den Anlagenbetreiber langfristig bemerkenswerte Kosteneinsparungen ergeben.

Unter Berücksichtigung der spezifischen Prozessanforderungen könnten wir am Ende über den Ausbau einer Gesetzesgrundlage entsprechend der EnEV für Industrieanlagen nachdenken. Denn bemerkenswerterweise fallen die Dämmstärken im Industriebereich im Vergleich zu denen im TGA-Bereich auffallend klein aus. Die immer noch gültige 150-W/m²-Empfehlung ist für viele Industrieprozesse aus der Zeit gefallen.

Mit einer derartigen Überlegung fände das Märchen von der Energieeffizienz im ­Anlagenbau ein sinnvolles Ende, denn ­Klimaschutz und Kosteneinsparungen sind im Bereich der Dämmarbeiten an betriebstechnischen Anlagen in der Industrie kein Widerspruch.


Autoren

B. Ing. Gyna Galvis: Mitglied der Arbeitsgruppe: VDI 2055, VDI 4610, ISO 12241; Senior Ing. wärmetechnische Berechnungen KAEFER Isoliertechnik GmbH & Co. KG
Gyna.Galvis@kaefer.com

Dipl.-Ing. (FH) Gerd Gollenstede: Vorsitzender des Technischen Ausschusses der Bundesfachabteilung Wärme-, Kälte-, Schall- und Brandschutz im Hauptverband der Deutschen Bauindustrie, Abteilungsleiter Technischer Service der KAEFER Industrie GmbH
Gerd.Gollenstede@kaefer.com

Der Beitrag ist auch in Ausgabe 2.2019 der Fachzeitschrift TI – Technische Isolierung (August 2019) erschienen.

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