Silberbird-Podcast - Der Podcast Rund um technische Oberflächen und Galvanotechnik

Frequenzumrichter, regenerative Energien, Steuerungen und viele andere bequeme und darum heute selbstverständliche Elemente im betrieblichen Stromnetz verschmutzen den Spannungsverlauf. Diese Einrichtungen erzeugen Oberwellen, die den normalen Sinusverlauf der Netzspannung zum Teil so stark verzerren können, dass es zu diffusen Störungen und Ausfällen kommen kann. Christoph Fleig von plating electronics diskutiert in dieser Ausgabe des silberbird-Podcast die Hintergründe des Phänomens, wie man es messen kann und welche Möglichkeiten der Vermeidung es gibt.

Wenn man sich so wie ich schon lange im der Galvanikbusiness herumtreibt, reift schnell die Erkenntnis, dass wir Neuerungen nicht besonders aufgeschlossen gegenüber stehen. Sieht man sich Wissenschaft und Forschung an, so wird schnell klar warum das so ist: im Großen und Ganzen gilt unsere Branche seit den späten 60er Jahres des vergangenen Jahrhunderts als ausgeforscht. Warum sich dann noch mit Veränderung auseinandersetzten? Es geht doch. Und das schon über 60 Jahre lang. Ich habe mich mit Lars Schmitt über dieses Thema unterhalten. Er hat mehrfach versucht, die Möglichkeiten der Digitalisierung auf die täglichen Problemstellungen der Beschichtungsindustrie anzuwenden. Aber er ist an der Unbeweglichkeit und dem Desinteresse der Branche gescheitert. Es wird Zeit, dass wir endlich aufwachen. Darum ist dieses Gespräch ein Muss für aufgeweckte Beschichter!

Galvanotechnik funktioniert mit elektrischer Energie. Strom und Spannung im galvanischen Bad laufen gerichtet. Es handelt sich um eine sog. Gleichspannung, wie wir sie beispielsweise aus Batterien kennen. Aus dem Stromnetz aber kommt eine Wechselspannung. Diese muss also zunächst gerichtet werden, was über den sog. Gleichrichter erfolgt. Ein Gleichrichter besteht zum einen aus einem Transformator, der die Spannung anpasst und zum anderen aus Halbleiter-Bauelementen – z. B. Dioden –, die für die Gleichrichtung der Spannung sorgen. Ein gutes Schaubild findet ihr zum Beispiel unter https://www.elektronik-kompendium.de/sites/grd/0208071.htm Dabei erzeugen die Dioden allerdings noch keine echte Gleichspannung, sondern zunächst nur eine gerichtete Spannung. Man spricht von einer sog. Restwelligkeit, dem verbleibenden Wechselspannungsanteil, welcher der Gleichspannung übergelagert ist und in Prozent ausgedrückt wird. Steuerungstechnologien Man unterscheidet zwischen verschiedenen Technologien der Gleichrichtung. H istorisch war es der sog. Leonard-Satz, der mit einem Drehstrommotor und einem Gleichstromgenerator eine Gleichspannung erzeugt hat. Die Regelung erfolgte dabei in Grenzen über die Drehzahl des Motors. Die Spannung konnte weiter mit Hilfe eines Transformators geregelt werden. Die Spannung musste daher mithilfe von Heizwiderständen geregelt werden, was zu großen Energieverlusten führte. Mit Einzug der Halbleiter-Bauelemente konnte man aus der Netz-Wechselspannung ohne mechanische Unterstützung, aber mit oben beschriebener Restwelligkeit Gleichspannung erzeugen. In einfachen Geräten erfolgte die Steuerung mit Hilfe sog. Stelltrafos, also einer mechanischen Verstellung, mittels derer die Spannung verändert werden konnte. E ine Weiterentwicklung im Bereich der Halbleiter-Technik stellte der Thyristor dar. Durch entsprechend getaktete Phasenanschnitte lassen sich Gleichspannungen ohne weitere mechanische Hilfseinrichtungen regeln. Thyristoren erzeugen im Betrieb allerdings störende elektrische Oberwellen, die durch aufwändige Glättung-Schaltungen (Kondensatoren) eliminiert werden müssen. Waren die Dioden zunächst aus Selen-Halbleitern aufgebaut, wurde diese später durch Germanium- bzw. zuletzt Silizium ersetzt. Z uletzt kamen elektronische Schaltnetzteile hinzu. Allgemein gesagt wandeln Schaltnetzgeräte eine unstabilisierte Eingangsspannung in eine konstante Ausgangsspannung um. Weiter sind diese Netzteile im Vergleich zu den klassischen Gleichrichtern meist kleiner und leichter. Kühlung Bei der Umwandlung von Wechsel- in Gleichspannung fällt als Abfallprodukt immer auch mehr oder weniger stark Wärme an, die aus dem Prozess entfernt werden muss. Klassisch erfolgt dies durch Eintauchen der wärmeerzeugenden Einheiten in ein Ölbad. Die vom Öl aufgenommene Wärme wird verteilt und durch ein Kühlrippensystem an die Umgebungsluft a bgegeben. Weiterer Vorteil war, dass das Öl sämtliche eingetauchten Einrichtungen sehr wirksam vor Korrosion geschützt hat. Ungünstig ist, dass bei einer Wartung oder Reparatur zunächst der Gleichrichtereinsatz aus dem Öl gezogen werden muss. Als Nachteil muss wohl die Baugröße gewertet werden. Die einzige Möglichkeit die Kühlleistung zu steigern besteht darin, die Kühlwanne zu vergrößern. Es handelt sich um eine passive Kühlung, deren Leistung nur durch eine Erhöhung der Masse des Kühlmediums Öl gesteigert werden kann. Die so gekühlten Gleichrichter enthielten zur Steuerung prinzipiell Stelltransformatoren. Eine weitere Möglichkeit, überschüssige Wärme zu entfernen, erfolgt über den Austausch der Umgebungsluft. Dies erfolgt beispielsweise über Lüftersysteme im Gehäuse des Geräts. Hierbei ist wichtig – und dies ist unter den meisten Umständen in Galvaniken ein Problem – dass die eingespeiste Umgebungs- bzw. Kühlluft nicht schädlich für die elektronischen Komponenten des Geräts sein darf. Es dürfen keine aggressiven Medien oder hohe Luftfeuchte eingebracht werden. Luftkühlung ist nur bis zu einer gewissen Abwärme, also Gleichrichter-Leistung einsetzbar, da die Größe der Kühlaggregate mit dem Volumen der Abwärme korreliert. Die letzte und vielleicht auch neueste Lösung ist die Wasserkühlung. Problematisch ist hier, dass Wasser als guter Leiter ungern in die Nähe von elektrischer Energie gebracht wird, sofern der wassergekühlte Leistungsteil von Steuerungskomponenten separiert werden kann. Auch darf das Kühlwasser oder -medium nicht aggressiv gegen die Kühlleitungen und -einrichtungen wirken. Dann aber ist eine hohe, aktive Kühlleistung realisierbar. Es muss bei diesem Kühltyp zwingend gewährleistet sein, dass stromführende Teile nicht in direktem Kontakt mit dem Kühlmedium stehen. Dabei sollten Gleichrichter generell so nah wie möglich an der Zelle aufgestellt werden. Sonst müssen die Leitungsquerschnitte größer dimensioniert werden. Checkliste für die Gleichrichter-Konzipierung Spannung / Strom / Leistung Einspeise-Spannung (230 V / 400 V) Kühlart Aufstellungsort Schnittstelle / Steuerung Lage zum Aktivbad Auskunft über Anschlussart (Kupferschienen oder Kabel)

Die Vakuumdestillation als Abwassertechnik in der Galvanik Im zweiten Teil meines Podcasts zu diesem Thema habe ich gemeinsam mit Thomas Dotterweich und Markus Bardzinski von H2O über den konkreten Einsatz dieser Technologie in der Galvanotechnik gesprochen. Was ist möglich? Wo liegen die Grenzen? Welche Abwässer sind geeignet? Für Abwässer aus dem galvanischen Beschichtungsprozess kommt die Vakuum-Destillation insbesondere für die Entgiftung von Spülwässern in Betracht. Wichtig ist, dass das zu behandelnde Abwasser keine festen Frachten, wie z. B. Schlämme oder Sedimente mehr trägt. Diese würden während der Destillation Energie aufnehmen und diese nachher wieder abgeben, ohne dass dies einen positiven Effekt auf das Ergebnis hätte. Daher führen solche Inhaltsstoffe zu einem erhöhten Energieeinsatz, was die Behandlung unwirtschaftlich macht. Auch Konzentrate sind häufig nur sehr bedingt für diesen Behandlungstyp geeignet, weil naturgemäß hier schon eine hohe Konzentration an Inhaltsstoffen vorliegt. Die Vakuum-Destillation würde hier mit hohem Energieeinsatz nur noch wenig zur weiteren Aufkonzentration beitragen. Insofern ist die Konzentrat-Entgiftung eher mit anderen Technologien wie z. B. den klassischen physikalisch-chemischen Behandlungen geeignet. Ein Problem stellen solche Stoffe dar, die bei der Destillation Beläge in der Maschine bilden würden. Zu nennen sind hier eher Lacke, Farben oder Leime, die wir aber im Allgemeinen in unserer Branche nicht finden. Wie werden die Abwässer vorbehandelt? Wie schon oben erwähnt, sollten Feststoffe vor dem Einbringen in die eigentliche Destillation entfernt werden. Aber auch der pH-Wert des Abwassers spielt eine große Rolle. Weite Bestandteile der Anlage sind aus Edelstahl gefertigt. Häufig sind die Abwässer sauer, was über die Zeit diese Edelstahl-Komponenten angreift. Sicherlich kann man hier noch höherwertigere Materialien einsetzen, was aber die Kosten für die Maschine erhöht. Einfacher ist es hier, den pH-Wert vor dem Einbringen in die Destillationskammer zu neutralisieren oder in den schwach-alkalischen Bereich zu erhöhen. Weiter sollten Giftstoffe, die ggf. in das Destillat übergehen könnten, vorher entgiftet werden. Zu nennen wären hier z. B. die Cyanide. Diese stören zwar die eigentliche Destillation nicht. Könnten aber anschließend Probleme bei der Wiederverwendbarkeit des Destillats erzeugen. Wie wird das entstandene Destillat zum wiederverwendbaren VE-Wasser? War das eingesetzte Spülwasser wenig belastet und/oder hat die Vorbehandlung gut gearbeitet, ist das Destillat häufig direkt als VE-Wasser in den Spülen wiederverwendbar. Sollten sich noch Organika, Lösemittel oder Ammoniak im Destillat gelöst haben, käme jedoch eine Nachbehandlung in Betracht. Man kann die Wässer dann z. B. über Aktivkohlefilter oder über Ionenaustauscher führen und erhält anschließend prozesssicheres Spülwasser, dass direkt in der eigenen Galvanik eingesetzt werden kann. Welche Vorteile hat die Vakuum-Destillation im Vergleich zur physikalisch-chemischen Behandlung? Darüber, dass die Vakuum-Destillation sich selbst mit Strom als Rohstoff für die Behandlung begnügt, hatten wir im ersten Teil schon einmal gesprochen. In Verbindung mit einer Fotovoltaik-Anlage lässt sich so eine ressourcenschonende Abwasseranlage realisieren. Zunächst einmal ist der Platzbedarf deutlich geringer. Die klassische Abwasseranlage besteht aus einer Reihe von Vorrats- und Behandlungsbehältern, sowie häufig aus einer Kammerfilter-Presse. Selbst eine größere Vakuum-Destillation benötigt dabei kaum mehr als 20 m2. Weiter lässt sich ein Teil des Ergebnisses der Behandlung, nämlich das Destillat, als Spülwasser im eigenen Prozess wiederverwenden. Für den Fall, dass man wegen äußerer Zwänge abwasserfrei arbeiten muss, ergibt sich hier eine optimale Möglichkeit. Aber auch für problematische Abwässer, z. B. solche mit einer hohen Fracht an Komplexbildnern, die sich mit der physikalisch-chemischen Abwasserbehandlung nur bedingt entgiften lassen, stellen für diese Technologie kein Problem dar. Ein weiteres Beispiel sind Grenzwerte, die sich mit den klassischen Methoden nicht oder nicht prozesssicher erreichen lassen. Auch hier kann man mithilfe dieser Technologie unterstützend oder ersetzend arbeiten. Letztlich ist der Preis pro behandeltem Kubikmeter entscheidend. Für diesen Faktor gibt es keine allgemeingültige Aussage. Hier gilt wie sooft: „Kommt drauf an.“ Aber in jedem Fall kann man über eine Einzelfallbetrachtung unter Berücksichtigung der vorhandenen Stoffströme errechnen, welche Technologie die günstigere ist.