KWKK für die Halbleiterindustrie

Es werden zunächst die benötigten Energieträger und deren Nutzung vorgestellt. Gleichzeitig wird grob das Prinzip der Energieversorgungsmethode unter dem Aspekt höchstmöglichster Ausnutzung und Verwertung von anfallenden Abfallenergien beleuchtet. Dabei wird besonderes Augenmerk auf die saisonal-zeitliche Korrelation zwischen Bedarf und Anfall innerhalb der einzelnen benötigten Energieträger gelegt. Mit konkreten Zahlen soll insbesondere die Langzeitwirkung einer klugen und auf das jeweilig konkret erforderliche Energiebedarfsprofil abgestimmten Energieerzeugung dargestellt werden.

Die besondere umwelttechnische Verantwortung, insbesondere der energieintensiven Industrien, zu denen die Halbleitertechnik zweifellos gehört, wird anhand konkreter CO₂-Emissionen dargestellt.

Hauptenergieträger

Alle Produkte und Technologien der Halbleitertechnik erfordern hunderte von Bearbeitungsschritten, welche hinsichtlich der Energiebereitstellung eine besondere Versorgungsgüte verlangen. Neben der Bereitstellung von thermischen Energieträgern innerhalb eines sehr engen Temperaturbandes ist eine extrem stabile Hochqualitätsstromversorgung für den reibungslosen Herstellungsprozess unerlässlich. Trotz aller Investitionen in Modernisierungsmaßnahmen sehen sich die lokalen Netzbetreiber jedoch meistens außerstande die extrem hohen Anforderungen hinsichtlich Spannung, Frequenz und Netzausfallsicherheit zu gewährleisten. Eine Analyse der Netzausfallstatistik (Bild 1) zeigt, insbesondere in den letzten Jahren, eine Zunahme der Netzfehler mit breiter Streuung. Jedes dieser Ereignisse kann einen nicht zu beziffernden Schaden innerhalb des Produktionsprozesses nach sich ziehen. Infolge dieser insbesondere für die Halbleitechnik sehr spezifischen Anforderungen stellt sich grundsätzlich die Frage hinsichtlich der Art der Energieversorgung.

Das Prinzip der Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung (KWKK) bietet hierbei gleich mehrere erhebliche Vorteile. Neben der besonders umweltfreundlichen Erzeugung von Energie spielen hier insbesondere die Unabhängigkeit vom lokalen Netz, die Nutzung von parallel erzeugten, unvermeidbaren „Abfallenergien“ sowie weitreichender Möglichkeiten hinsichtlich Versorgungssicherheit und Redundanz eine nicht zu unterschätzende Rolle. Alle diese Vorzüge können erst nach einer sorgfältigen Analyse des zu erwartenden Energiebedarfsprofils voll zum Tragen kommen. Aus diesem Grund wird zunächst eine Sondierung der benötigten Energiearten mit der einhergehenden Festlegung eines optimalen Temperaturniveaus vorgenommen.

Die im Reinraum benötigte Zuluft muss nach konstanten Parametern (Temperatur, Feuchte) bereitgestellt werden. Hierzu werden klimatechnische Anlagen mit verschiedensten thermodynamischen Luftbehandlungsfunktionen eingesetzt. Zur Vor- und Nacherhitzung der Luft wird ein Wärmeenergieträger mit entsprechendem Temperaturniveau benötigt. Zur Kühlung der Luft kommt ein Energieträger zum Einsatz, der auch zur Abfuhr von prozesstechnischer Wärme verwandt wird. Dabei ist es nicht erforderlich, mit der Vorlauftemperatur den Taupunkt zu unterschreiten. Zur Entfeuchtung ist ein Medium notwendig, welches mit seiner Vorlauftemperatur den Taupunkt unterschreitet, und damit das zweite, erforderliche Kälteträgermedium bildet. Neben dem bereits erwähnten Wärmeenergiemedium zur Konditionierung der Zuluft, welches sich auf einem relativ geringem Temperaturniveau bewegen kann, ist aus prozesstechnischen Gründen ein weiteres, auf weitaus höherem Temperaturlevel angesiedeltes, Heizmedium erforderlich. Diese vier thermischen Hauptenergieträger werden nunmehr wie folgt klassifiziert:

Kälte (tief),

Kälte (normal),

Heizung (warm),

Heizung (heiß).

In den Diagrammen (Bilder 2 und 4) ist diese Begrifflichkeit wiederzufinden, um Zusammenhänge hinsichtlich der Art der Verwendung der erläuterten Energie anschaulicher darzulegen.

Neben der sehr energieintensiven Erzeugung von klimatisierter Zuluft gibt es eine Reihe von prozesstechnischen Verbrauchern, die nicht von der Umgebungsenthalpie abhängen. Folgende Hauptverbraucher kommen hierbei in Frage:

Reinstwassererzeugungsanlage,

Drucklufterzeugungsanlage,

Abfuhr der Abwärme von Bearbeitungsmaschinen direkt/indirekt (Tools),

Sonstiges (Statische Heizung, WWB, Abfuhr von Wärmelasten aus IT-/
Serverräumen etc.).

Zur späteren Abbildung einer Korrelation zwischen Energieanfall und -bedarf ist eine weitere Klassifizierung hinsichtlich äußerer Einflussgrößen erforderlich. Dabei können wir im Wesentlichen zwischen Energieträgern unterscheiden, die von klimatischen Einflüssen (Enthalpie) geprägt werden, bzw. von Medien, die von prozesstechnischen Verbrauchern abhängen:

Enthalpie: Vor- und Nacherhitzung Klimaanlagen, Reinstwassererzeugung,

Prozesstechnik: Reinstwassererzeugungsanlage, Drucklufterzeugungsanlage, Abfuhr der Abwärme von Bearbeitungsmaschinen direkt/indirekt (Tools), Sonstiges (Statische Heizung, WWB, Abfuhr von Wärmelasten aus IT-/Serverräumen etc.).

Bisher wurden lediglich thermische Energieträger betrachtet. Der Strombedarf ist enthalpieunabhängig und korreliert im Wesentlichen mit dem Ausbauzustand der Fabrik. Es ist daher von einem sehr gleichmäßig steigenden oder fallenden Verbrauchsprofil auszugehen, was in folgende drei Kernabschnitte einzuteilen ist:

Ein Blick auf eine jahresübergreifende Darstellung des Abnahmeprofils (Bild 2) arbeitet die wesentlichen Charakteristika heraus:

Während der Strombedarf sich sehr stabil am Ausbau- und Produktionsaufkommen der Fabrik orientiert, unterliegen die vier thermischen Energieträger mehr oder weniger starken Schwankungen. Dabei ist im Winter eine relativ hohe Grundlast des Kältebedarfs (normal) sehr augenscheinlich, die sich im Wesentlichen am Strombedarf orientiert. Die Energieträger Heizung (warm) und Kälte (tief) korrelieren sehr stark mit den jahreszeitlichen Umgebungsbedingungen und unterliegen somit naturgemäß sehr starken Schwankungen. Das Medium Heizung (heiß) wird in großen Teilen von prozesstechnischen Anforderungen bestimmt. Der außentemperaturabhängige Anteil (z. B. statische Heizung) spielt eine eher untergeordnete Rolle. Bei sehr hohen Enthalpien wird auch eine Lastspitze im größtenteils von prozesstechnisch bestimmten Energieträger Kälte (normal) ersichtlich.

Diese Zusammenhänge stellen das Grundgerüst zur Bewertung einer sinnvollen Nutzung hinsichtlich der Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung dar. Das Wissen um wesentliche Abhängigkeiten und Einflussgrößen spielt neben den zeitlichen Korrelationen untereinander eine elementare Rolle bei der Erreichung sehr hoher Ausnutzungsgrade, und damit einhergehenden überdurchschnittlich hohen Wirkungsgraden.

Das erarbeitete Lastprofil zeigt neben den naturgemäß hohen Lastspitzen im Kältebedarf während des Sommerhalbjahres eine relativ hohe Grundlast auch im Winter. Dies ist insofern interessant, da hohe ganzjährige Wirkungsgrade nur durch eine auf konstant hohem Niveau mögliche Verwertung der anfallenden thermischen Abfallenergien möglich sind.

Energieerzeugung/Energieverwertung

Den Kern der Energieerzeugung bilden erdgasbetriebene Gasmotoren mit nachgeschalteten Wärmetauschern zur sofortigen und möglichst verlustarmen Verwertung der unvermeidbaren „Abfallenergien“ in Form von Dampf und Heißwasser. Diese bei der Stromerzeugung entstehenden Nebenenergien werden in einem großen Maß zur Kälteerzeugung (Absorptionsprinzip), und in geringeren Anteilen zur Wärmebereitstellung verwendet. Zur Ausbalancierung des naturgemäß stets unterschiedlichen Energiemixes sind verschiedenste Wärmetauscher, Spitzenlastkessel und Turbo-Kältemaschinen ein weiterer wesentlicher Bestandteil des Kraftwerkes.

Für eine optimale Zuverlässigkeit in der Stromversorgung sorgt neben den Gasmotoren ein kinetischer Energiespeicher, der sowohl Energie abgeben, als auch Energie aufnehmen kann, und somit Lastschwankungen in der Stromerzeugung in begrenztem Maß ausgleichen kann. Für den Fall von Motorenausfällen ist ein automatisch geregelter Bypass integriert, der im Bedarfsfall auf die örtliche Landesnetzversorgung umschaltet. Wie in der Kältetechnik üblich sind hydraulische Puffer mit einer Doppelfunktion als Speicher und Weiche wichtige Systemkomponenten, um thermische Lastschwankungen, optimale Regelgüte und Ausfallsicherheit jederzeit zu gewährleisten. Die einzuhaltenden, überaus strengen und notwendigen Grenzwerte, auch in der thermischen Energieversorgung, werden somit für den Anlagenbetreiber technisch realisierbar. Neben der bereits erwähnten jederzeit unterbrechungsfreien, redundanten Verfügbarkeit und der extrem hohen Versorgungsgüte nehmen Systemkomponenten, die zur optimalen Nutzung der entstehenden thermischen Abfallenergien genutzt werden, einen wichtigen Stellenwert im Gesamtensemble des Kraftwerks ein. Durch die vorangegangene Analyse des jahreszeitlichen Energieabnahmeprofils ist eine gezielte und nahezu optimale Einflussnahme hinsichtlich der hierfür benötigten Hauptanlagenteile möglich. Dabei soll in erster Linie ganzjährig und vollumfänglich der entstehende Dampf, sowie das Heiß- und Warmwasser in für den Kunden verwertbare Energie umgewandelt werden. Selbst die bei der Kälteerzeugung entstehende, nicht unerhebliche Warmwasserenergie wird, wie noch dargestellt, zu einem erwähnenswerten Anteil genutzt. Die wichtigsten hierfür erforderlichen Systemkomponenten sind Abhitzekessel, Wärmetauscher, Absorptionskältemaschinen und Kühlwassersysteme.

Sekundärenergieerzeuger, wie z. B. Luftzerlegungsanlagen, sind mit der zentralen Abwärmenutzungsanlage vernetzt, und speisen damit einerseits wiederum ihre eigene Energie in das System, und benötigen andererseits keine eigenen Rückkühlsysteme. Dies spart Investitionen, Betriebskosten und Schadstoffe zugleich. Durch die auf das konkret zu erwartende Energieabnahmeprofil optimal zugeschnittene Auswahl und Vernetzung der Hauptsystemkomponenten ist neben der Gewährleistung der liefertechnisch unerlässlichen Dinge wie Redundanz, Ausfallsicherheit und hohe Versorgungsgüte, ein überdurchschnittlich hoher Gesamtwirkungsgrad der Anlage durchaus realistisch. Die damit einhergehende schadstoffarme Erzeugung ist hierbei ein nicht unerheblich ins Gewicht fallender Pluspunkt.

Auswertung der Energiebilanzen

Ziel dieses Abschnittes ist die Auswertung der zeitlichen Korrelation zwischen Energieanforderung (Strom) und gleichzeitigem Anfall von thermischer Abfallenergie. Hierzu wurde das zur Deckung der Kälteanforderungen theoretisch erforderliche Wärmeäquivalent mit dem infolge des konkret vorherrschenden Energiemix verfügbaren Wärmeäquivalent ins Verhältnis gesetzt (Bild 3). Die Auswertung zeigt ein relativ gut miteinander korrelierendes Verhältnis zwischen verfügbarem und benötigtem Äquivalent, wobei eine geringfügige Überdeckung zwischen Bedarf und Anfall zu konstatieren ist. Dies ist jedoch insofern als positiv einzustufen, als das damit sämtliche anfallende thermische Abfallenergie dieses Energieniveaus verwertet werden kann.

Bild 4 zeigt eine ähnliche Betrachtung für die Wärmeauskopplung aus dem Kühlwassersystem. Dabei ist eine deutliche Überdeckung der verfügbaren Energie zur verwerteten Energie wesentlicher Aussagepunkt. Die insbesondere im Sommer sehr hoch anfallende Abwärme aus dem Kühlwassernetz kann nur in Bruchteilen genutzt werden. Dieses Verhältnis stellt sich im Winter und in den Übergangsphasen geringfügig besser dar. Die jahresübergreifende Entwicklung des Gesamtwirkungsgrades zeigt abschließend Bild 5. Im konkret betrachteten Zeitraum wurden Wirkungsgrade zwischen 80 bis 90 % erzielt. Dies ist insbesondere ein Ergebnis der sehr gut aufeinander abgestimmten Profile zwischen Energieanfall und Energiebedarf.

Fazit

Im Vorfeld der Ansiedlung sehr energieintensiver Industrien, wie es zweifellos die Halbleitertechnik darstellt, ist eine Analyse des zu erwartenden Energieabnahmeprofils elementar. Mit Hilfe dieses Histogramms können Erkenntnisse zur Konfiguration hauptsächlicher Systemkomponenten innerhalb einer Kraft-Wärme-Kälte-Kopplungsanlage abgeleitet werden. Die optimierten und bestens aufeinander abgestimmten Profile zwischen Energiebedarf (Strom) und gleichzeitigem Energieanfall (thermisch) gestatten Gesamtwirkungsgrade zwischen 80 und 90 %!

Dabei ist ein wesentliches Augenmerk auf die zeitlich passende, ganzjährige Korrelation zwischen Bedarf und Anfall zu legen. Durch kluge Vernetzung der einzelnen Systemkomponenten sind sehr hohe Wirkungsgrade im Vergleich zu einer konventionellen Energieerzeugung möglich. Die dabei benötigten Temperaturniveaus innerhalb der benötigten thermischen Energien sind eng mit dem Anlagenbetreiber festzulegen und auf die konkreten Bedingungen innerhalb des KWKK-Prozesses zu optimieren.

Der dabei erzielte Beitrag zur Schadstoffreduzierung ist erheblich. Allein am Standort Dresden sind seit Ansiedlung 1998 damit fast 1 400 000 t CO₂ weniger in die Atmosphäre abgegeben worden, als es bei einer konventionellen Energieversorgung der Fall gewesen wäre.