Umweltfreundliches Opfer: Korrosionsschutz für offene Kühltürme steigert Rendite

Dringlichstes Ziel der Betriebsführung von Kühlanlagen ist deren Effizienzsteigerung und der umweltfreundliche Schutz der Anlage
gegenüber Ablagerungen (Scaling), Korrosion und Biomassewachstum
(Biofouling). Die Belagbildung auf der Kühlwasserseite eines Wärmetauschers
oder einer Rohrleitung behindert den Wärmeübergang erheblich und erhöht den Druckverlust, sodass die Leistung des Kühlturmes deutlich herabgesetzt wird,
was letztlich zu höherem Wasserverbrauch bzw. erhöhten Einsatz von Energie führt. So verschlechtert eine Kalkablagerung von 0,5 mm den Wärmeübergang in Kondensatoren.

(firmenpresse) - Düsseldorf - In Deutschland werden jährlich ca. 32 Mrd. Kubikmeter Wasser als wichtigstes Wärmeträgermedium in Kühlprozessen eingesetzt. In halboffenen Kühlsystemen, die nur 2–5 % des Wasserbedarfs von Durchflusskühlungen haben, werden in diesen Systemen pro Jahr zur Aufbereitung ca. 5500–6500 t an Konditionierungsmitteln (toxischen Bioziden, Korrosionsschutzmittel und Härtestabilisatoren) eingesetzt. Da eine Abwasserbehandlung von Kühlwässern bisher nicht üblich ist, gelangen diese Chemikalien häufig direkt in den Abwasserkanal oder bei Direkteinleitern unmittelbar in die Vorfluter.
In offenen und halboffenen Kreislaufkühlungen werden dem Kühlwasser gezielt Konditionierungsmittel zugesetzt, um den Problemen der Korrosion und Kalkbildung entgegenzutreten. Korrosionsprobleme können
an allen Oberflächen des Systems entstehen. Sie können ursächlich durch physikalische Bedingungen (Korrosionspotenziale) hervorgerufen werden und werden durch biologische Einwirkungen stark begünstigt.
Um die Bildung von Kalkablagerungen zu vermeiden, wird dem Wasser durch Ionenaustauscher kostenaufwändig Calcium und Magnesium entzogen. Im Austausch wird dem Wasser dann Natrium zugeführt. Zwar wird die Bildung von Kalk dadurch reduziert, das Korrosionspotenzial aber erhöht.
Durch die Verdampfung des Wassers reichern sich im Laufe der Zeit die nicht verdampften Inhaltsstoffe des Wassers (z. B. Salze, organische Verbindungen) an. Dadurch steigt die Leitfähigkeit und wiederum das Korrosionspotenzial. Als Faustzahl kann für Mitteleuropa ein Verdunstungsverlust von 1,1 bis 1,6 % des Kreislaufwassers je 10 °C Temperaturerhöhung angenommen werden. Hinzu kommen Spritzwasserverluste von rd. 0,1 % des Wassermengenstroms.
Um die Anreicherung von Feststoffen zu verhindern, wird Wasser abgeschlämmt. Das heißt, es wird ein beträchtlicher Teil des Wassers durch Nachfüllwasser ausgetauscht. Dieses Nachfüllwasser kann Stadtwasser, Brunnenwasser, Grundwasser oder auch Flusswasser sein. Es muss sich mit seinen chemischen und mikrobiologischen Eigenschaften als Nachfüllwasser eignen und sollte vorher immer chemisch/mikrobiologisch untersucht werden. Das Nachfüllwasser ist quantitativ eine nicht unerhebliche, zusätzliche betriebswirtschaftliche Kostenstelle.

Chemieeinsatz auf Kosten von Betrieb, Mensch und Umwelt

Leckagen oder gar Rohrbrüchen und damit teuren Produktionsausfällen zu bannen, wird üblicherweise eine Reihe von Gegenmaßnahmen eingeleitet. Es gilt, die anorganisch bedingten Probleme des Kühlwassers, Kalkbildung und Korrosion, als auch die organischen Probleme, Mikroorganismen (KBE – Kolonien bildende Einheiten, z. B. Legionellen) und Biofilme zu bekämpfen.
Für die anorganischen Probleme werden spezielle Chemikalien eingesetzt. Zu den
Chemikalien zählen Korrosionsinhibitoren und Härtestabilisatoren. Als zusätzliche Methode werden kostspielige Ionenaustauscher verwendet, die Calcium und Magnesium aus dem Wasser gegen z. B. Natrium tauschen. Die Theorie hinter dieser Maßnahme soll sein, dass durch fehlendes Calcium und Magnesium
die Calcitbildung ausbleibt und damit eine Verkalkung verhindert wird.
Zur Bekämpfung der organischen Probleme werden oxidative und nicht-oxidative
Biozide eingesetzt. Die nicht-oxidativen Biozide, als auch die anderen Konditionierungsmittel können für die Mikroorganismen, insbesondere Biofilme, als Nährstoffe dienen. Als Nährstofflieferant dienen außerdem Schadstoffe aus der Luft, die beim Abkühlungsprozess aus der Luft ausgewaschen werden und so ins Wasser gelangen. Dies führt auch zur Vermehrung von humanpathogenen Mikroorganismen, wie z. B. Legionella pneumophila. Sie können in Aerosolen (Größe ca. 5 μm) des Wasserdampfes vorhanden sein und zu schweren Lungenentzündungen
(Legionärskrankheit) führen.

Biofilme provozieren mikrobielle Korrosion und Keime

Mikroorganismen bewirken keine neuen Korrosionsmechanismen, sondern sie beeinflussen den chemischen bzw. elektrochemischen Korrosionsprozess allein durch ihre Anwesenheit und ihre Stoffwechselprodukte. Diese Korrosionsprozesse werden unter dem Begriff MIC (Microbioally Influenced Corrosion) zusammengefasst.
Neben den gesundheitlichen Gefahren, die durch die Verwendung von Konditionierungsmittel entstehen können, verschlechtert der daraus entstandene Biofilm auf den Oberflächen eines Wärmetauschers den Wärmeübergang, was zur weiteren Kostensteigerungen führt.
Die kommerziellen Abwehrmaßnahmen gegen Mikroorganismen sind oxidative und
nicht-oxidative Biozide. Die nicht-oxidativen Biozide werden zu einer Steigerung
der mikrobiellen Population – den Biofilmen – führen. Bei der Anwendung dieser
Biozide ist ein kurzer, temporärer Erfolg nur bei den frei im Wasser lebenden Mikroorganismen zu finden. Die im Biofilm eingebetteten Mikroorganismen sind weitgehend gegen beide Arten von Bioziden geschützt und entwickeln in der Regel schnell Resistenzen und können die nicht-oxidativen Biozide als zusätzliche Nährstoffquelle nutzen. Als weiterer negativer Nebeneffekt geht von oxidativen Bioziden (z. B. Halogene) noch eine starke Korrosionsgefahr aus, was wiederum eine Steigerung der Kosten verursacht.

Die Aktivanode lässt das Wasser hart

Auf die umweltfreundliche und kostengünstige Behandlung von Kühltürmen in Hinsicht auf Korrosionsschutz, Antiscaling und der Kontrolle der Mikrobiologie konzentrieren sich die Partnerfirmen ION Deutschland GmbH und DAT GmbH – beide aus Düsseldorf. In dieser Kühlwasserbehandlungsmethode werden neue, aber in anderen Bereichen vielfach bewährte und wissenschaftlich bewiesene Methoden miteinander kombiniert.
Das umweltfreundliche Konzept der beiden Firmen arbeitet basierend auf der bewährten Opferanodentechnologie, die die anorganischen Probleme im Kühlwasser
löst. Wichtig ist bei diesem Konzept, das Wasser im Kühlturm nicht zu enthärten. Das klingt revolutionär, ist aber logisch. Mit seiner hochreinen Zinkanode, die anstelle des höherwertigen Stahls oder Eisens zuerst korrodiert, wird der Aquabion sowohl in das Frischwasser als auch in die Zirkulation des Kühlturmes installiert. Die Anode behandelt das Nachfüllwasser und das Kühlturmwasser und opfert sich zugunsten von Wärmetauscher und Leitungsnetz. So bewirkt der Aquabion im Kreislaufsystem einen kontinuierlichen kathodischen Korrosionsschutz ohne teure oder gefährliche
Zusätze und fast ohne Wartung.
Das Antiscaling wird durch die freiwerdenden Zinkionen erreicht. Das Ablagerungen
bildende aggressive Calcit (z. B. im Wärmetauscher) wird in eine neutrale Form, dem Aragonit, auskristallisiert. Dies sind ganz natürliche Reaktionen, wie sie sich auch in der Natur so abspielen. Aragonit hat den Vorteil für das Kühlsystem, dass es nicht die Oberflächen belegt, da es größere Kristalle bildet, die aus der Bewegung des Wassers heraus sogar noch abrasiv auf vorhandene Ablagerungen wirken kann.

Klimakatastrophe bei Mikroorganismen

Um das Problem der Biofilme speziell in Kühltürmen noch nachhaltiger anzugehen,
wurde eigens dafür die Firma Dynamic Aquabion Tower GmbH (DAT) gegründet. Die DAT hat zum Ziel, mit ihrem innovativen technischen Vertriebskonzept den Einsatz von gefährlichen Stoffen für Kühltürme nachhaltig überflüssig zu machen. Erste Anlagen in Deutschland werden im Moment bei Industriekunden der ION Deutschland GmbH in Betrieb genommen.
Speziell für die Lösung der organischen Probleme im Kühlwasser werden von der
DAT der Aquabion, der Aquainject und der Aquabioreaktor eingesetzt. Durch diesen
gezielten Einsatz wird die mikrobiologische Belastung im Kühlwasser auf ein Minimum reduziert. Die biologische Entnahme potenzieller Nährstoffe aus dem Wasser sorgt dafür, dass die Bildung von Biofilmen auf den wasserführenden Elementen des Kühlturmwasserkreislaufes so erheblich reduziert werden. Der Aquabioreaktor ist wartungsfrei und durch eine systematische Vorbereitung in der Lage, die Elimination der Nährstoffe aus der Wasserphase zu realisieren. Diese Nährstoffentnahme führt dazu, dass die KBE und die Dichte an Legionellen im Kühlwasser auf ein Maß reduziert bleiben, das die gesundheitlichen und materiellen
Anforderungen an Kühltürme erheblich verbessert. Im Zustrom des Nachfüllwassers
für Kühltürme ist eine zusätzliche Sperre gegen Mikroorganismen durch den Aquainject eingebaut worden, der durch gezielte Zugaben von Zink und Jod für ein
unbelastetes Nachfüllwasser sorgt.
Zuletzt hat jüngst eine von der DAT GmbH in Auftrag gegebene wissenschaftliche
Untersuchung weitere positive Eigenschaften des Zinks aus der Opferanode aufgezeigt. Zink ist für den Einsatz in Kühlsystemen besonders wertvoll. Seine Präsenz im Wasser hemmt nachweislich den Aufbau von Biofilmen und reduziert die
nachgewiesene Menge an Legionellen drastisch.

Marc Flettner, Geschäftsführer, ION Deutschland GmbH und DAT GmbH, Düsseldorf

Dr. Jürgen Scheen, Wissenschaftliche Leitung, DAT GmbH, Düsseldorf

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Datum: 20.05.2010 - 11:56 Uhr
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