Die wichtigsten Vorteile dieses sog. „natürlichen“ Kältemittels liegen in den erheblichen Kälteleistungen bei relativ geringen installierten Kompressionsleistungen, einem Ozonabbaupotenzial (ODP) gleich Null und einem Erderwärmungspotenzial (GWP) gleich 1. Aufgrund dieser sehr niedrigen ODP und GWP-Werte könnte sich dieses Kältemittel für zahlreiche Benutzer ideal eignen. Jedoch konfrontiert R-744 den Benutzer bei Einsatz und Wartung mit technischen Herausforderungen und eignet sich nicht für alle Anwendungen. Gemeinsam mit Jean-Yves Clairé, Ingenieur für Schmiermittel bei ExxonMobil, stellen wir den aktuellen Stand dieser Technik vor.
Herr Clairé, können Sie uns die Probleme in Verbindung mit dem Schmieren von Kompressoren mit CO2 erläutern?
J-Y. C.: Anlagen, die mit R-744 arbeiten, stellen uns vor 3 große technologische Herausforderungen: der Druck, der in Anlagen angewandt wird, die mit unterkritischem und transkritischem CO2-Betrieb arbeiten, die starke Löslichkeit von CO2 in Schmiermitteln, die potenziell zu einer übermäßigen Reduzierung der Viskosität führt und der Lösungsmitteleffekt des CO2, der den Schmierfilm auf Teilen in Bewegung reduzieren kann. In sog. „mischbaren“ Anlagen (Anlagen, deren Konzeption auf dem Prinzip der einwandfreien Mischbarkeit des Kältemittels und des Schmiermittels basieren) zeigen einige herkömmliche Polyolesteröle (POE) unter den Betriebsbedingungen von CO2 ihre Grenzen.
Welche Lösungen hat ExxonMobil entwickelt, um diesen Einschränkungen zu begegnen?
J-Y. C.: Um dem Bedarf der Benutzer ganz und gar zu entsprechen, hat ExxonMobil für Kreislaufsysteme mit mischbarem CO2 ein Polyolesteröl mit innovativer, fortschrittlicher Technik entwickelt, das erhöhte Schmierleistungen erbringt. Die Merkmale und Vorteile dieser neuen Polyolesteröl-Technologie sind einerseits die hervorragenden Fließeigenschaften dieses Schmiermittels bei sehr niedrigen Temperaturen und andererseits das Potenzial zur Verbesserung der Verdampferwirksamkeit. Andererseits hat man mit diesem Schmiermittel eine hervorragende Kontrolle der Viskosität im Betrieb, um den Kompressor mechanisch optimal schützen zu können, eine längere Lebensdauer und größere Wartungsintervalle zu erzielen.
Wie haben Sie dieses neue Produkt validiert?
J-Y. C.: Die Validierung der neuen, von Exxon Mobil entwickelten POE-Technik ist in einem großen Schweineschlachthof in der Bretagne erfolgt. Das Kühlsystem dort besteht aus einem CO2 / Ammoniak-Kreislauf: der Ammoniak- Kreislauf besteht aus 2 Schraubenverdichtern, der CO2-Kreislauf aus 4 Kolbenverdichtern.
Nachdem ein und der gleiche Kompressor nacheinander zweimal aufgrund fehlender Schmierung mit dem zuvor verwendeten Öl beschädigt worden war und ausgetauscht werden musste und an einem 2. Kompressor einmal Kolben und Zylinder ausgetauscht werden mussten, wurden die 4 Kolbenverdichter ab Dezember 2013 auf „Mobil SHC Gargoyle 80 POE“ umgestellt. Der Kompressor, der die warmen CO2-Gase für das tägliche Enteisen der Verdampfer im Schockfrosttunnel produziert, wurde als erstes mit Öl von Mobil geschmiert. Die Betriebsbedingungen und somit die Bedingungen für das Schmieren dieses Kompressors sind bei höherem Druck und höheren Temperaturen am schwierigsten. Die Defekte der Kompressoren waren genau an diesem für den Betrieb des Kühlsystems dieses Schlachthofs zentralen Kompressor aufgetreten.
Zu welchen Ergebnissen haben diese Tests geführt?
J-Y. C.: Die Testperiode mit „Mobil SHC Gargoyle 80 POE“ wurde mit der Inspektion jedes geschmierten Teils des Kompressors, der die heißen Gase produziert, mit dessen regelmäßiger Wartung nach 5600 Betriebsstunden abgeschlossen. Diese Inspektion ist im Beisein des Kompressorherstellers, der auf Wartung und Betrieb industrieller Kühlanlagen spezialisierten Firma, des Kunden wie auch der technischen Support von ExxonMobil durchgeführt worden. Alle an dieser Kompressorinspektion Beteiligten konnten den hervorragenden Allgemeinzustand des Kompressors und aller seiner geschmierten mechanischen Bestandteile, insbesondere aber den sehr guten Zustand der Teile in Verbindung mit Kolben Nr. 1 feststellen, der an diesem Maschinentyp den höchsten Temperatur- und Druckbelastungen ausgesetzt ist. Jedes Teil war immer mit einem Schmiermittelfilm überzogen und wies ein gutes Erscheinungsbild auf, während mit dem vorhergehenden Schmieröl unter gleichen Betriebsbedingungen erhebliche Verschleißspuren und ein trockenes Aussehen verzeichnet worden waren. Als Beispiel für die sehr gute Schmiermittelleistung in diesem mit „Mobil SHC Gargoyle 80 POE“ geschmierten Kompressor lagen die Metallgehalte aus Eisen und Aluminiumverschleiß nach 5600 Betriebsstunden bei 13 mg/kg (ppm) bzw. 3 mg/kg (ppm). Diese sehr geringen Metallverschleißgehalte sind insbesondere bei Kolbenverdichtern bemerkenswert.
Welche wirtschaftlichen Vorteile bietet dieses Schmiermittel einem Anlagenbetreiber?
J-Y. C.: Aufgrund der sehr guten mechanischen Haltbarkeit der geschmierten Teile kann man bei Einsatz von Mobil SHC Gargoyle 80 POE die Wartungsintervalle auf alle 6000 Stunden festlegen, wobei 8000 Stunden angestrebt werden. Dabei hatte der Hersteller mit dem vorherigen Öl eine Verkürzung der Wartungsintervalle auf alle 4500 Stunden empfohlen. Mit einer derartigen Verlängerung der Betriebszeiten zwischen den regelmäßigen Wartungsintervallen alle 6000 Betriebsstunden kann dieser Schlachthof seine Wartungskosten um 2 640 Euro pro Kompressor und Jahr, d.h. jährlich um 10.560 € für alle mit CO2 betriebenen Kolbenkompressoren senken.
Bedeutet dieses neue Produkt auch eine verbesserte Energieeffizienz der Anlage?
J-Y. C.: Tatsächlich wurde abgesehen von längeren Wartungsintervallen eine Minderung der elektrischen Leistung um 2 bis 3 kW bei einem Durchschnittsverbrauch von 100 kW unter ähnlichen Betriebs- und Lastbedingungen des Verdichters „heißer Gase“ dieser Anlage in der Bretagne festgestellt. Umgerechnet bedeutet das eine Einsparung von jährlich 599 Euro pro Kompressor. Das lässt sich durch die Reduzierung des Traktionskoeffizienten (der die interne Reibung der Ölmoleküle im Schmiermittelfluss unter hohem Druck charakterisiert) des „Mobil SHC Gargoyle 80 POE“ im Vergleich zu dem zuvor verwendeten Öl erklären. Diese Energieeinsparung steht in direktem Zusammenhang mit der Reduzierung des Traktionskoeffizienten der Moleküle der innovativen POE-Technologie: Reduzierung des internen Energieverlustes durch Reibung im Schmiermittel und Erhöhung der mechanischen Arbeit bei gleichbleibendem Stromverbrauch.
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Was kann aus diesem Versuch in Originalgröße geschlussfolgert werden?
J-Y. C.: Zusammenfassend1 können die Wartungskosten mit Mobil SHC Gargoyle 80 POE durch größere Wartungsintervalle der Kompressoren und verbesserte Produktivität aufgrund einer Reduzierung der Energiekosten gesenkt werden. Im Bereich der Sicherheit werden die Eingriffe der Bedienpersonen dank längerer Wartungsintervalle der Kompressoren minimiert. In Bezug auf die Umweltfreundlichkeit ist eine Reduzierung der Abfälle dank geringerer Anzahl Ölwechselperioden durch Verlängerung der Lebensdauer der Schmiermittel im Betrieb festzustellen. In Bezug auf die Produktivität wird ein Gewinn von 10 560 €/Jahr auf der Grundlage von Wartungsintervallen alle 6 000 Stunden und eine Reduzierung der pro Kompressor verbrauchten Leistung bei entsprechender Ladung von 2 bis 3 % der verbrauchten elektrischen Leistung erzielt.
JEAN-YVES CLAIRÉ, INGENIEUR SCHMIERSTOFFE – EXXONMOBIL
1 Diese Zusammenfassung wurde auf der Grundlage eines Versuchs im Zeitraum Dezember 2013 und April 2015 vor Ort mit „Mobil SHC Gargoyle 80 POE“ in einem Schlachthof erstellt, in dem 4 Kolbenverdichter mit CO2 betrieben werden. Die derzeitigen Ergebnisse können mit der Art der Ausrüstung in Betrieb, dem Wartungszustand der Ausrüstung, den Betriebsbedingungen, den Umgebungsbedingungen und den zuvor verwendeten Schmiermitteln schwanken. Schlagen Sie im Zweifelsfall im Wartungshandbuch des Konstrukteurs nach. Diese Validierung ist von den Verantwortlichen dieses Industriestandortes bestätigt und anerkannt worden und ist Gegenstand eines Leistungsnachweises, der unter www.mobilindustrial.com abgerufen werden kann.
Esso SAF, SA mit 98 337 521,70 € Stammkapital, Handels- und Firmenregister Nanterre 542 010 053, 5/6 place de l‘Iris, 92400 Courbevoie, vertreibt insbesondere die Marke Mobil in Frankreich – diese angemeldete Marke gehört der Exxon Mobil Corporation oder einer ihrer Tochtergesellschaften, zu denen Esso SAF gehört, deren prinzipielle juristische Unabhängigkeit hier nicht in Frage gestellt wird, da jede autonom ist.