Energieeffizienz im Reinraum benötigt Ingenieurswissen und hochmoderne Messtechnik

Energieoptimierung im Reinraum stellt hohe Anforderungen, denn auf keinen Fall darf die Energieeinsparung zur Reduktion der scharf definierten Grenzwerte führen. Beispiele dafür findet der Besucher auf der Reinraum-Messe Cleanzone am Dienstag/Mittwoch, 17. + 18.10.2017, in Frankfurt am Main.

Da es immer auf die konkrete Aufgabenstellung ankommt, lässt sich das grundsätzliche Vorgehen am besten an einem Beispiel aus der Praxis demonstrieren: Im hier vorzustellenden Fall nahmen die Reinraum-Experten zunächst die wesentlichen Eckpunkte auf. Es handelte sich um einen Pharmabetrieb mit Produktion unter GMP-Bedingungen. Auf einer Produktionsfläche von über 1500 Quadratmetern galt es, Reinräume unterschiedlicher Klassen (A/B, B, C, D) einzurichten, dabei Kreuzkontaminationen sicher zu vermeiden und hohe Kühllastanforderungen zu erfüllen.

Die externen Ingenieure erarbeiteten in enger Abstimmung mit dem künftigen Nutzer unterschiedliche Konzepte. Dabei standen eine prozessoptimierte Planung inklusive Wirtschaftlichkeitsbetrachtung im Vordergrund – und dabei insbesondere die Klima- und Lüftungstechnik.

Die Entscheidung fiel schließlich zugunsten einer Belüftung der Reinräume über dezentrale Umluftgeräte mit integrierten Heiz- und Kühlregistern. Sie sollten im Zwischendeckenbereich untergebracht und mit einer endständigen HEPA-Filtrierung (High Efficiency Particulate Air filter) versehen sein. Die Umluftgeräte sollten aus einer zentralen Lüftungsanlage mit einem voraufbereiteten Frischluftanteil gespeist werden. Hinzu kam ein ausgeklügeltes Klimatisierungskonzept mit Wärmerückgewinnung im zentralen Lüftungsgerät und mit der Möglichkeit zur „freien Kühlung“ bei der Kälteerzeugung. Das bedeutet: Wenn es draußen kalt ist, wird diese Kälte zur Luftkühlung genutzt.

So können die Kälteerzeuger nun mehrere Monate im Jahr abgeschaltet werden; es reicht, den notwendigen Pumpenbetrieb aufrechtzuerhalten. Auch ließ sich beim letztlich umgesetzten Konzept die Anlagengröße des Zentralklimagerätes, im Vergleich zu einem System mit direkter Be- und Entlüftung der Reinräume, um zirka 70 Prozent reduzieren. Das Heizen und Kühlen über dezentrale Umluftgeräte sorgt für eine bedarfsgerechte Regelung – mithin für einen energieoptimierten Betrieb des Gesamtsystems. Da gerade bei einer so fein abgestimmten Steuerung die Druckunterschiede zwischen reineren und unreineren Bereichen einem ständigen Monitoring und entsprechender Nachsteuerung unterliegen, sind Kreuzkontaminationen von vorneherein ausgeschlossen bzw. könnten nur bei grober Fehlbedienung vorkommen.

Energieeinsparungen in der hier beschriebenen Art sind im Allgemeinen in allen Branchen möglich, die im Reinraum produzieren. Schließlich lässt sich das Gesamtsystem Reinraum als zusammenhängende Einheit betrachten – mit zahlreichen Stellschrauben an vielen Ecken und Enden. Jenseits der Einsparpotenziale in der Lüftungs- und Klimatechnik geben allerdings vorrangig die Größe und die Reinraumklasse den Ausschlag für den Energieverbrauch. Aus diesem Grund ist von Beginn an eine prozessoptimierte Planung erforderlich.

„Optimieren ist dabei mit einem sicheren Herantasten an eine Grenze verknüpft“, erläutert Johann Mößlacher, Diplomingenieur bei DITTEL Engineering, Ried. „Speziell im Reinraum bedeutet das zum Beispiel eine Reduktion von Luftwechselzahlen, eine Verringerung von Druckunterschieden zwischen einzelnen Zonen oder die Definition eines Prozesses in eine geringere Reinraumklasse. Dies lässt schnell die Angst aufkommen, gewisse Normen, Vorschriften und darin enthaltene Grenzwerte zu überschreiten. Daher geht die Tendenz sehr oft in die Richtung einer Überdimensionierung von Systemen und Anlagen, um alle Vorgaben sicher zu erfüllen. Die Ingenieursleistungen liegen aber darin, genau dies zu hinterfragen und Systeme so auszulegen, dass Grenzwerte eingehalten, jedoch nicht um ein Vielfaches übererfüllt werden. Darin besteht der korrekte Ansatz für eine energetische Optimierung.“

Auch ein nachträglicher Eingriff in ein bestehendes Reinraumsystem kann Erfolge mit sich bringen – wie zum Beispiel in einer Salbenherstellung: Bei einem Umluftgerät für die turbulenzarme Verdrängungsströmung (TAV) ließ sich durch eine Reduzierung der Strömungsgeschwindigkeit von 0,45 auf 0,20 Meter pro Sekunde während der produktionsfreien Zeit eine Stromeinsparung von 32 Prozent erreichen. Dem einmaligen Aufwand von 11.000 Euro für Tests und Qualifizierung steht eine jährliche Kostenreduktion um 6000 Euro gegenüber – Amortisation in zwei Jahren.

Die fast immer vorhandenen Spielräume gilt es sinnvoll zu nutzen. Dazu muss ein kontinuierlicher Soll-Ist-Vergleich durchgeführt und neue technische Möglichkeiten in die Überlegungen einbezogen werden. Entscheidend dabei bleibt: Bloße konventionelle Energiezähler reichen nicht. Für die sinnvolle Erfassung relevanter Daten im Reinraum braucht man das spezielle Reinraum-Know-how. Unter seiner Berücksichtigung lassen sich dann – um eine Größenordnung zu nennen – zehn bis zwanzig Prozent bei bestehenden Anlagen einsparen und, gegenüber einem konventionellen Design „von der Stange“, bis zu fünfzig Prozent bei einer bis ins Detail durchdachten Neukonzeption.

Dass Energieeffizienz und hohe Qualitätsstandards im Reinraum kein Widerspruch sein müssen, zeigt die Industrie auf der Fachmesse Cleanzone am 17. und 18. Oktober in Frankfurt am Main. Beispielsweise geht es im Modul Messtechnik: Equipment + Projektqualifizierung des Cleanzone Kongresses um hochmoderne Messverfahren. Messebesucher der Cleanzone erarbeiten sich so im Oktober einen Informationsvorsprung und kehren mit konkreteren Konzepten und eindrucksvollen Beispielen aus der Praxis in den eigenen Betrieb zurück.