Galvanische Prozesse sind energieintensiv – von der Elektrolyse bis hin zu unterstützenden Bereichen wie Heizung oder Belüftung. Unternehmen können durch gezielte Maßnahmen nicht nur Energiekosten senken, sondern auch CO₂-Emissionen reduzieren und gesetzliche Vorgaben wie das Energieeffizienzgesetz (EnEfG) erfüllen. Hier sind die wichtigsten Ansätze:
- Optimierung der Prozesse: Anpassung von Stromdichte, Elektrodenkonfiguration und Badtemperaturen reduziert den Energieverbrauch.
- Modernisierung der Anlagen: Effiziente Gleichrichter, Wärmerückgewinnung und moderne Materialien senken die Betriebskosten.
- Energiesysteme und Monitoring: ISO 50001-konforme Systeme und kontinuierliche Datenerfassung helfen, Einsparpotenziale zu erkennen.
- Branchenspezifische Lösungen: Insbesondere in der Uhren- und Medizintechnik konnten durch präzise Steuerung und Automatisierung bis zu 20 % Energie eingespart werden.
Mit diesen Schritten sichern Unternehmen nicht nur Kostenvorteile, sondern stärken auch ihre Position in einem zunehmend energieeffizienten Markt.
Hauptenergieverbraucher in galvanischen Betrieben
Nachdem zuvor der allgemeine Energiebedarf sowie seine wirtschaftliche und ökologische Bedeutung beleuchtet wurden, widmen wir uns nun den Hauptenergieverbrauchern in galvanischen Betrieben.
Anlagen mit dem höchsten Energieverbrauch
In galvanischen Betrieben gibt es einige wenige Anlagen, die für den Großteil des Energieverbrauchs verantwortlich sind. Dazu gehören insbesondere Glühöfen und Schmelzzinkkessel. Diese Anlagen müssen in kontinuierlichen Verzinkungsprozessen selbst während produktionsfreier Zeiten in Betrieb bleiben.
Raviraj Ratnakar Chavan, der eine Analyse zum Energieverbrauch in kontinuierlichen Verzinkungslinien durchgeführt hat, beschreibt die Problematik wie folgt:
"The pot hardware in continuous galvanizing lines is prone to failure and needs to be replaced quite frequently. This resulted in considerable loss of production time. Also equipment like, the molten zinc pot and annealing furnace cannot be turned off during downtime resulting in considerable energy consumption during downtime too."
Ein weiterer wesentlicher Energieverbraucher sind die Gleichrichter in der Elektrolyse. Beispielsweise erfordert die Elektrogewinnung von Metallen wie Kupfer etwa 2,13 kWh pro Kilogramm, während für Nickel sogar 4,43 kWh pro Kilogramm benötigt werden.
Einfluss der Prozesseinstellungen auf den Energieverbrauch
Die Einstellungen der Prozesse haben einen erheblichen Einfluss auf den Energiebedarf. Ein zentraler Faktor ist die Stromdichte: Höhere Stromdichten führen zu einer stärkeren Kathodenpolarisation, was wiederum eine höhere Spannung erfordert und den Energieverbrauch steigert.
Eine Studie, veröffentlicht in der Fachzeitschrift Metals im Oktober 2023, untersuchte die Zn-Ni-Legierungsabscheidung. Es zeigte sich, dass eine Erhöhung der Stromdichte von 20 auf 80 mA/cm² und der Badtemperatur von 30 auf 60 °C den Nickelgehalt in der Beschichtung von 22 Gew.-% auf 42 Gew.-% ansteigen ließ. Die besten Bedingungen für eine maximale Korrosionsbeständigkeit lagen bei 80 mA/cm² und 60 °C.
Auch die Badtemperatur beeinflusst die Ionenbeweglichkeit und damit die Abscheidungskinetik. Höhere Temperaturen erhöhen jedoch das Kathodenpotential, was wiederum den Strombedarf erhöht. Bei Zn-Co-Legierungsbeschichtungen führte eine Temperaturerhöhung auf 60 °C in sauren Bädern zu einer Stromausbeute von unter 78 %, in neutralen Bädern sogar nur zu 36 %.
Darüber hinaus spielt der Produktionsmaßstab eine Rolle: Bei geringeren Produktionsmengen werden Wärmeverluste über die Wand- und Oberflächen der Verzinkungsöfen relevanter, was den spezifischen Energieverbrauch erhöht.
Energieverbrauch in den verschiedenen Prozessstufen
Auch die einzelnen Prozessstufen beeinflussen den Energieverbrauch. Untersuchungen zeigen, dass weniger als die Hälfte der zugeführten Wärme tatsächlich vom Produkt aufgenommen wird. Senthil Sundaramoorthy und sein Team stellten fest:
"less than 50% of heat supplied to the furnace is absorbed by the product; the remainder of the input heat energy dissipates as losses. Heat loss from the wall surfaces and flue gas stack was found to be significant, while heat lost due to opening and phase changes were minimal."
Einsparpotenziale durch Elektrodenkonfiguration
Die Konfiguration der Elektroden bietet Möglichkeiten zur Reduzierung des Energieverbrauchs. Asymmetrische Elektrodenanordnungen können den Zellspannungsbedarf senken. Studien zeigen, dass bei einer Stromdichte von 200 mA/cm² bis zu 17,1 % Energie eingespart werden können. Wird das Verhältnis der Elektrodenflächen weiter vergrößert, lässt sich die Energieeffizienz um zusätzliche 11,6 % steigern. Diese Ansätze bieten eine vielversprechende Grundlage für die Optimierung galvanischer Prozesse.
Schritt-für-Schritt-Anleitung zur Verbesserung der Energieeffizienz
Um die Energieeffizienz zu steigern, sollten Sie zunächst die Hauptenergieverbraucher identifizieren. Anschließend können Sie die folgenden Maßnahmen umsetzen:
Prozessdesign optimieren
Optimieren Sie die Konfiguration der Elektroden, indem Sie das Verhältnis von Kathode zu Anode erhöhen, den Abstand zwischen den Elektroden verringern und geeignete Materialien verwenden. Für Kathoden bieten sich Platin (Pt), Palladium (Pd) oder kostengünstiges Molybdän (Mo) an. Für Anoden sind Magnesium (Mg) bei kurzfristigen Anwendungen und Zink (Zn) oder AZ31B-Mg-Legierungen bei langfristigen Prozessen aufgrund ihrer besseren Haltbarkeit empfehlenswert.
Passen Sie die Elektrolytbedingungen an, wie den pH-Wert und den Salzgehalt, um die Energieausbeute zu maximieren. Beachten Sie dabei, dass ein höherer pH-Wert die Energieerzeugung verringert, während eine höhere Salzkonzentration die Effizienz steigert.
Im nächsten Schritt sollten Sie Ihre Anlagen modernisieren, um weitere Fortschritte zu erzielen.
Anlagen modernisieren
Ersetzen Sie veraltete Gleichrichter durch moderne Technologien wie Thyristor- oder Schaltnetzteile. Ergänzend können Abwärmerückgewinnungssysteme eingesetzt werden, um den Energieverbrauch nachhaltig zu senken. Netzoptimierungstechnologien helfen zudem, Störungen zu minimieren und Energie effizienter zu nutzen.
Ein Beispiel aus der Praxis: Das ECOWAMA-Projekt zeigte bei der Saxonia Galvanik GmbH, wie ein geschlossenes Kreislaufmanagement beeindruckende Ergebnisse erzielen kann. Die Anlage erreichte eine 100 %ige Reduktion von Hypophosphit, über 90 % Nickel-Rückgewinnung und mehr als 85 % energieeffiziente Erzeugung von wiederverwendbarem Reinwasser. Der dabei entstehende Wasserstoff wurde in einer PEM-Brennstoffzelle genutzt, die bis zu 1,5 kWe Strom mit über 50 % Effizienz erzeugte. Zusätzlich konnten die Entsorgungskosten um 70 % gesenkt werden.
Diese Maßnahmen schaffen die Basis, um auch Umgebungsbedingungen zu optimieren.
Belüftung und Wärmemanagement verbessern
Setzen Sie auf bedarfsgesteuerte Belüftungssysteme, die die Luftzufuhr an die jeweiligen Prozessanforderungen anpassen. Dadurch lässt sich der Energieverbrauch für Ventilatoren und Klimatisierung deutlich reduzieren.
Wärmeverluste können durch eine verbesserte Isolierung von Prozessbädern minimiert werden. Auch der Einsatz von Tankabdeckungen trägt dazu bei, die Effizienz zu steigern. Darüber hinaus bieten modulare Verdampfungseinheiten und neue Kunststoff-Wärmetauscher in Entsalzungsanlagen eine energieeffiziente Alternative zu herkömmlichen Systemen.
Energiemonitoring einrichten
Ein modernes Energiemonitoring-System erfasst kontinuierlich Verbrauchsdaten und leitet Optimierungsmöglichkeiten automatisch ab. Softwarelösungen wie ENTECTIV® oder EnEffCo® ermöglichen es, Energieverbrauch und Prozessdaten zentral zu überwachen.
Das Energy Transparency and Analysis System (ETAS) der TU Darmstadt zeigt, wie umfassende Datenerfassung helfen kann, energieintensive Komponenten und lange Stillstandszeiten zu identifizieren.
Eine bewährte Methode umfasst drei Schritte: Zunächst werden die Hauptenergieverbraucher identifiziert und die Systemgrenzen definiert. Danach erfolgt ein Effizienz-Monitoring mit automatisierten Berichten und Alarmen. Abschließend werden gezielte Optimierungsmaßnahmen umgesetzt.
Energiemanagementsysteme installieren
Auf Basis der optimierten Prozesse sollten Sie ISO 50001-konforme Energiemanagementsysteme implementieren, um kontinuierliche Verbesserungen sicherzustellen. Der Einsatz solcher Systeme kann den Energieverbrauch um 5 % bis 30 % senken.
Eric Strauch von Rockwool beschreibt den Nutzen wie folgt:
"EnEffCo® hat den Energieverbrauch unserer Kernprozesse erheblich optimiert. Die Lösung hat sich innerhalb eines Jahres amortisiert – ein unbestreitbares Wertversprechen."
Das Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (BaFA) fördert ISO 50001-konforme Systeme mit bis zu 40 % der Projektkosten für kleine und mittlere Unternehmen (KMU) und 30 % für Großunternehmen. Die maximale Förderung beträgt bis zu 10 Mio. €.
Ein aktives Lastmanagement kann die Stromverteilung optimieren, Lastspitzen verhindern und dynamische Lastverschiebungen ermöglichen. Selbstlernende Algorithmen helfen dabei, die effizientesten Betriebsparameter für Industrieanlagen automatisch zu bestimmen.
Kosteneinsparungen und Umweltvorteile
Energieeffiziente galvanische Prozesse bieten nicht nur eine Möglichkeit, Betriebskosten zu senken, sondern tragen auch dazu bei, CO₂-Emissionen zu reduzieren. Diese Einsparungen wirken sich direkt auf kürzere Amortisationszeiten aus – ein klarer Vorteil für Unternehmen.
Finanzielle Einsparungen und Amortisationszeit
In Industrieanlagen fließen mehr als 75 % des Energieverbrauchs in die Produktionsprozesse. Zusätzlich können bis zu 10 % des gesamten Energieverbrauchs allein durch den Standby-Betrieb entstehen.
Die Amortisationszeit hängt von der jeweiligen Maßnahme ab. Der Return on Investment (ROI) wird berechnet als:
(Gesamtnutzen – Gesamtkosten) / Gesamtkosten × 100 %.
Die einfache Amortisationszeit ergibt sich aus dem Verhältnis der Anfangsinvestition zu den jährlichen Energieeinsparungen. Es ist ratsam, jeden Bereich eines Projekts separat zu bewerten – selbst wenn Modernisierungen gleichzeitig durchgeführt werden.
"Die Rentabilität von Energieeffizienz ist eindeutig: Investitionen in intelligentere Energiemanagementsysteme führen zu erheblichen Einsparungen und stärken die Nachhaltigkeitsbemühungen." – EnergyTrack
Reduzierte CO₂-Emissionen
Ein geringerer Energieverbrauch hat nicht nur finanzielle Vorteile, sondern verbessert auch die Umweltbilanz. Der Einsatz effizienter Technologien reduziert den Energieverbrauch und damit direkt den CO₂-Ausstoß.
"Genaue finanzielle Entscheidungsfindung erfordert qualitativ hochwertige Daten, doch Prognosen leiden oft unter unvollständigen oder unzuverlässigen Eingaben." – Omnium
Um fundierte Entscheidungen zu treffen, sind gründliche Energieaudits und die Installation geeigneter Monitoring-Systeme entscheidend. Diese liefern verlässliche Basisdaten, die für eine präzise Wirtschaftlichkeitsberechnung unerlässlich sind.
Best Practices von HOGRI Oberflächentechnik
HOGRI schöpft aus über 100 Jahren Erfahrung, um galvanische Prozesse durch präzise Steuerung und Systemintegration energieeffizienter zu gestalten. Diese Expertise bildet die Grundlage für die gezielten Maßnahmen des Unternehmens.
Energiesparmethoden von HOGRI
HOGRI setzt auf eine genaue Prozesskontrolle, um die Stromdichte zu optimieren und Überbeschichtungen zu vermeiden. Moderne Gleichrichter mit hoher Effizienz und geringen Standby-Verlusten senken den Energieverbrauch erheblich.
Zusätzlich wird die Abwärme aus Prozessbädern und Lüftungssystemen genutzt, um Räume zu beheizen und Wärmeverluste zu minimieren. Diese Ansätze werden speziell auf Materialien wie Messing, Aluminium und Edelstahl abgestimmt. Durch Simulationen und eine strategische Platzierung der Anoden wird die Stromdichte optimiert, während ausreichend dimensionierte Schienen und Kabel Spannungsverluste minimieren (vgl.).
Automatisierung und Qualitätsüberwachung
Automatisierung spielt eine zentrale Rolle: Sie steuert Temperatur, Stromstärke und Prozessdauer, was Stillstandzeiten reduziert und den Energieverbrauch senkt. Fortschrittliche Inline-Messsysteme und Rückkopplungsschleifen stellen sicher, dass Energie präzise eingesetzt wird, um die gewünschte Schichtdicke und Oberflächenqualität zu erreichen.
Durch die kontinuierliche Überwachung von Leistungskennzahlen (KPIs) wie kWh pro Quadratmeter, Energieverbrauch pro Produktionscharge und CO₂-Emissionen sowie regelmäßige Energieaudits können weitere Einsparpotenziale aufgedeckt werden (vgl.). Diese Maßnahmen führen zu messbaren Energieeinsparungen, insbesondere in Branchen wie der Uhren- und Medizintechnik.
Erfolge in spezialisierten Branchen
In der Uhrenindustrie hat die Optimierung von Gold- und Nickelbeschichtungsprozessen für kleine, präzise Bauteile den elektrischen und thermischen Energiebedarf deutlich gesenkt. In der Medizintechnik ermöglichen integrierte Prozessmaßnahmen und Automatisierung kürzere Zykluszeiten und einen geringeren Energieverbrauch pro Bauteil. In bestimmten Produktionslinien konnten so Energieeinsparungen von 15–20 % erzielt werden (vgl.).
In einigen Prozesslinien wurden die Energiekosten um bis zu 20 % reduziert, was zu einer schnelleren Amortisation der Investitionen in Effizienzmaßnahmen führte. Gleichzeitig konnten CO₂-Emissionen und der Ressourcenverbrauch messbar gesenkt werden. Diese Kombination aus Kosteneinsparungen und gesteigerter Umweltverantwortung stärkt HOGRIs Position in anspruchsvollen Märkten wie der Uhren- und Medizintechnik.
Fazit: Galvanische Prozesse effizienter gestalten
Eine Steigerung der Energieeffizienz in galvanischen Prozessen spart nicht nur Kosten, sondern verbessert auch die Umweltbilanz und stärkt die Wettbewerbsfähigkeit von Unternehmen.
Die wichtigsten Punkte im Überblick
Um nachhaltige Energieeinsparungen zu erreichen, spielen drei Bereiche eine zentrale Rolle: Prozessoptimierung, Ausrüstungsmodernisierung und systematisches Monitoring.
- Prozessoptimierung: Durch präzise Steuerung von Spannung, Stromstärke und Reaktionsgeschwindigkeit lassen sich unerwünschte Nebenreaktionen vermeiden und der Energieverbrauch spürbar senken.
- Ausrüstungsmodernisierung: Moderne Technologien bieten großes Potenzial. Beispiele hierfür sind:
- Fortschrittliche Elektrodenmaterialien und effizientere Elektrokatalysatoren
- Nanostrukturierte Materialien zur Verbesserung der Reaktionskinetik
- Dünnere Membranen und optimierte Zellendesigns
- Systematisches Monitoring: Eine kontinuierliche Überwachung der Prozesse ermöglicht es, Effizienzpotenziale zu erkennen und auszuschöpfen. Claude Lamy und Pierre Millet heben im Journal of Power Sources hervor:
"Der Energieeffizienzkoeffizient ist ein wichtiger Leistungsindikator, um die energetischen Leistungen von Wasserelektrolysezellen, -stapeln und -anlagen zu vergleichen und die Kosten für elektrolytischen Wasserstoff zu berechnen." – Claude Lamy und Pierre Millet, Journal of Power Sources
Zusätzlich kann die Integration von erneuerbaren Energiequellen die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen verringern und die Umweltbelastung minimieren. Diese sogenannte "grüne Elektrolyse" entwickelt sich zunehmend zum neuen Standard.
Nächste Schritte für Hersteller
Der Einstieg beginnt mit einem umfassenden Energieaudit, um Schwachstellen zu identifizieren und Maßnahmen zu priorisieren.
Effizienzmaßnahmen sollten schrittweise umgesetzt werden. Starten Sie mit kostengünstigen Optimierungen, wie der Reparatur von Druckluftlecks oder der Anpassung von Prozessparametern. Größere Investitionen, wie die Modernisierung von Anlagen, können dann gezielt folgen.
Mit der Expertise von HOGRI Oberflächentechnik sind Unternehmen bestens vorbereitet, diese Maßnahmen erfolgreich umzusetzen. Mit über 100 Jahren Erfahrung in der Oberflächentechnik und einem bewährten Fokus auf Branchen wie der Uhren- und Medizintechnik bietet HOGRI maßgeschneiderte Lösungen für unterschiedlichste Anwendungen.
Wer jetzt in Energieeffizienz investiert, sichert sich nicht nur Kostenvorteile, sondern auch eine stärkere Position in einer zunehmend umweltbewussten Wirtschaft.
FAQs
Wie können galvanische Betriebe ihre Energieeffizienz verbessern und gleichzeitig Kosten reduzieren?
Galvanische Betriebe haben mehrere Möglichkeiten, ihre Energieeffizienz zu verbessern und gleichzeitig Kosten zu senken. Ein zentraler Ansatzpunkt ist die Optimierung der Energieausnutzung bei der Gleichstromversorgung. Der Einsatz moderner und effizienter Gleichrichtergeräte spielt dabei eine Schlüsselrolle, da sie den Energieverbrauch deutlich reduzieren können. Ergänzend dazu helfen Wärmerückgewinnungssysteme, Energieverluste zu minimieren, indem sie ungenutzte Wärme sinnvoll zurück in den Produktionsprozess leiten.
Ein weiterer wichtiger Schritt ist die Kreislaufführung von Produktionshilfsstoffen. Diese Methode ermöglicht es, Materialien mehrfach zu verwenden, was nicht nur Rohstoffe spart, sondern auch den Energiebedarf senkt. Gleichzeitig kann eine verbesserte Prozesssteuerung dazu beitragen, Abläufe gezielter und effizienter zu gestalten. Durch diese Maßnahmen werden galvanische Prozesse nicht nur sparsamer, sondern auch umweltfreundlicher und wirtschaftlicher.
Wie wirken sich Stromdichte und Badtemperatur auf den Energieverbrauch und die Qualität der galvanischen Beschichtung aus?
Die Stromdichte beeinflusst direkt die Qualität und die Eigenschaften der galvanischen Schicht. Bei niedriger Stromdichte entstehen gleichmäßigere und qualitativ bessere Beschichtungen. Hohe Stromdichten hingegen können Kristallstrukturen stören und die Oberflächenqualität beeinträchtigen. Außerdem erfordert eine höhere Stromdichte mehr elektrische Energie, was den Energieverbrauch erhöht.
Auch die Badtemperatur hat einen großen Einfluss. Höhere Temperaturen können zwar die Abscheidungsrate steigern, führen jedoch ebenfalls zu einem höheren Energieverbrauch und erhöhen das Risiko von Kristallfehlern. Um eine gute Balance zwischen Energieeffizienz und Beschichtungsqualität zu erreichen, ist es entscheidend, Stromdichte und Badtemperatur sorgfältig aufeinander abzustimmen.
Welche Vorteile bringt die Einführung eines Energiemanagementsystems wie ISO 50001 für galvanische Prozesse?
Die Einführung eines Energiemanagementsystems wie ISO 50001 bringt für Unternehmen, die galvanische Prozesse nutzen, zahlreiche Vorteile mit sich. Durch eine gezielte Erfassung und Analyse der Energieströme lassen sich Energiekosten um bis zu 20 % senken, während die Energieeffizienz dauerhaft verbessert wird. Gleichzeitig hilft die Norm dabei, gesetzliche Anforderungen einzuhalten und die Umweltbelastung zu verringern.
Ein weiterer Pluspunkt liegt in der kontinuierlichen Verbesserung der Energienutzung. Das stärkt nicht nur die Wettbewerbsfähigkeit, sondern eröffnet auch Möglichkeiten für steuerliche Vergünstigungen und Umweltzertifikate. Mit diesem strukturierten Ansatz sichern sich Unternehmen langfristige Einsparungen und positionieren sich stärker im Bereich nachhaltigen Wirtschaftens.