Reinraum mit Nullenergie-Konzept für Wärme und Kälte

Von Tünde Kirstein

Steigende Energiekosten und schärfere Richtlinien sind zwei wesentliche Treiber für neue Ideen zum Energiesparen. Ein ganz besonderes Wärme- und Kältekonzept hat die Firma gp-i für das neue Laborzentrum an der Interstaatlichen Hochschule für Technik NTB Buchs entwickelt.

Mehrere Meter lang ist die Schemazeichnung der Hydraulik, die Peter Büchel voller Stolz auf dem Tisch ausbreitet: «Das ist das Herzstück des NTB-Projektes.» Man sieht ihm die Begeisterung an, wenn er von diesem Auftrag erzählt. Er ist Experte für Heizung, Lüftung und Klimatechnik – insbesondere für Reinräume. Vor 10 Jahren trat er der Geschäftsleitung der gp-i bei, die sich auf Dienstleistungen im Bereich der Gesamtplanung und Realisierung von Reinraum- und Industrieprojekten spezialisiert hat. Zum Know-how der Firma gehören neben Reinraumtechnik auch Wassertechnik, Gassysteme, Reinstwasseranlagen, Abwasserneutralisation sowie Mess-, Steuerungs- und Regelungstechnik. Das Team übernimmt die Konzeptentwicklung und Projektleitung. Die Umsetzung der Projekte erfolgt mit den Partnerfirmen Tri Air Consulting und Plantec. Im Bereich Mikroelektronik-Reinräume hat sich gp-i schweizweit einen guten Ruf erarbeitet. Seit fast drei Jahrzehnten ist das Unternehmen für die ETH tätig. Für IBM hat gp-i das Nanotechnology Center in Rüschlikon realisiert und betreut dort weiterhin die Laborausbauten. «Wir sind ein kleines Unternehmen, aber unser grosser Vorteil ist, dass wir wissen, wo den Forschern der Schuh drückt und wir auch das Know-how zum eingesetzten Equipment haben», erklärt Peter Büchel. Darum ist es auch nicht verwunderlich, dass die Firma den Zuschlag für den Bau des neuen Laborzentrums an der Hochschule NTB bekommen hat.

Clevere Idee fürs Energiemanagement

Das Projekt besteht aus zwei Teilen: einem Reinraumzentrum und einem Wärmepumpenprüfzentrum. Als Peter Büchel das Projekt kennenlernte, sah er aber nicht in erster Linie zwei Teile, sondern ein Ganzes, und hatte eine clevere Idee: «Beim Testen der Wärmepumpen entsteht Wärme und Kälte und die Reinräume brauchen Wärme und Kälte. So kam uns die Idee, beides mit einem Energiespeicher zu verbinden.» Seine Vision bestand darin, die Wärme- und Kältetechnik des Reinraums ausschliesslich mit der Abwärme und –Kälte des Prüfzentrums – also ohne zusätzliche Energiezufuhr – zu betreiben. Sein Team führte eine Studie durch und berechnete die Rentabilität mit verschiedenen Szenarien. Das Ergebnis war vielversprechend: Wenn nur drei Wärmepumpen pro Woche getestet werden, hat man genug Energie, um den Rest vom Gebäude wärme- und kältetechnisch zu betreiben. So entstand das Konzept, das Peter Büchel nun auf dem Tisch ausgebreitet hat. Auf der Schemazeichnung sieht man:

Diese Elemente sind alle verbunden mit zwei grossen Massenspeichern – einem für Kälte und einem für Wärme. Es handelt sich dabei um säulenförmige Tanks mit 2,5 m Durchmesser und 14 m Höhe. Je nachdem, welche Temperatur das vom Pumpenprüfstand kommende Wasser hat, wird es im Tank an unterschiedlicher Höhe eingebracht. Lochbleche verhindern eine Verwirbelung und sorgen dafür, dass das Wasser nach Temperatur sortiert im Tank geschichtet ist. Von dort wird es dann über Steuerventile zu den Verbrauchern geleitet. Für den Fall, dass nicht genug Energie gespeichert ist, z.B über Weihnachten oder in den Sommerferien, sind Notsysteme eingeplant, in Form eines Fernwärmeanschlusses an die Müllverbrennungsanlage und einer Rückkühlung über das Grundwasser.
Die fertige Planung sieht vor, dass der Neubau an das bestehende Gebäude angebaut wird. Im untersten Stock entsteht das Wärmepumpenprüfzentrum, darüber befindet sich ein Stockwerk für die Technik und im obersten Stock die neue Reinraumlandschaft. Die beiden riesigen Energiespeichertanks sind ebenfalls im Gebäude integriert und gehen über alle drei Stockwerke. «Diese Form von Energiemanagement für einen Reinraum hat meines Erachtens noch niemand versucht und für uns ist es in dieser Komplexität auch eine neue Herausforderung», betont Peter Büchel.

Herausforderungen in der Reinraumplanung

Auch die Planung des Reinraumes an sich war nicht einfach, denn in der Forschung werden oft sehr unterschiedliche Versuche durchgeführt und es kommt immer wieder neues Equipment zum Einsatz. Darum hat gp-i die Infrastruktur so geplant, dass sie möglichst flexibel ist. Der Reinraum hat eine Gesamtfläche von 600 m2 und ist in fünf Zonen unterteilt:

Die fünf Zonen sind fingerförmig in einem Grauraum angeordnet. «Für Mikroelektronik sind Reinräume komplett anders aufgebaut als für Anwendungen in der Pharma- oder Lebensmittelindustrie», erläutert Peter Büchel. Das System am NTB ist spezifisch auf die Bedürfnisse der Forscher abgestimmt worden. Das fingerförmige Layout ermöglicht, dass das meiste Equipment im Grauraum-Bereich aufgestellt werden kann und sich im Reinraum-Bereich nur die Nutzeroberflächen befinden. Diese sogenannten Toolwände sind so konzipiert, dass sie sehr flexibel sind und die Forscher fast beliebig neues Equipment einbauen können. Es gibt Anschlüsse für Prozess-Kühlwasser; verschiedene Grund- und Spezialgase stehen zur Verfügung. «Wenn der Anwender mit einem neuen Gerät kommt», so Peter Büchel, «kann er es einfach einstöpseln und losarbeiten.» Das Gebäude verfügt über Gaslagerräume mit Reserveplätzen, so dass auch grössere Anpassungen, z.B. der Einbau neuer Sicherheitsgasschränke für ganz spezielle Gase (wie etwa Dotierstoffquellen), möglich sind. «Wir verlegen von vornherein alle Trassen und sorgen für genügend Platz, so dass wir später auch ausgefallene Nutzerwünsche erfüllen können», fügt Peter Büchel hinzu.

Projekt auf gutem Weg

Die Reinraumausstattung übernimmt die Firma Wesco Luftfilter & Reinraum AG in Wettingen. Wesco Reinraum-Lösungen sind stets zugeschnitten auf die jeweiligen Kunden- bzw. Branchenprozesse und Bedürfnisse. Fokus für dieses Reinraumprojekt ist u.a. die Optimierung der Energieeffizienz. Diese wird durch den Einsatz der neuen Nelior® Schwebstofffilter-Technologie erzielt. Im Grauraumbereich herrscht ein Vordruck von 5 Pascal, der durch Zuluft-Ventilatoren geregelt wird. Je mehr Prozessabluft z.B. die Nasswerkbänke erzeugen, desto mehr Zuluft wird zugeführt.
Von den fünf Zonen sind die Nasschemie und die Lithografie am heikelsten, da wird z.T. mit sehr aggressiven Mitteln an Sicherheitsnasswerkbänken gearbeitet. Peter Büchel erklärt: «Wir müssen einerseits den Raumdruck sicherstellen, damit wir GMP-konform sind, und andererseits Arbeitssicherheit und Produktschutz unter einen Hut bringen.» Darum sind Rauchtests geplant, um die Lüftung so einzustellen, dass bei den Nasswerkbänken immer eine Strömung in die Kapelle stattfindet und nichts nach aussen gelangt – auch wenn die Werkbänke abgeschaltet sind. Zuviel Luft darf dabei aber nicht in die Werkbänke strömen, denn sonst besteht das Risiko von Verunreinigung. Die Reinräume sind zwar ISO-Klasse 6, aber die Werkbänke haben noch höhere Reinheitsanforderungen (ISO 4 oder 5). gp-i hat bei IBM viele Erfahrungen diesbezüglich gesammelt und kann diese nun auf das neue Projekt übertragen. Das Wichtigste bei so einem Projekt ist es, am Anfang die Bedürfnisse der Anwender abzuklären. gp-i macht das in ausführlichen Nutzergesprächen und mithilfe von strukturierten Equipment-Listen. Anhand der Listen wird das Layout geplant – bei gp-i natürlich alles mit dreidimensionalen CAD-Tools, wie Peter Büchel an seinem Rechner demonstriert. So können alle Leitungsverläufe, Ventile, usw. ganz genau dargestellt und auch komplexe Ideen, wie ein Energiespeicher, erfolgreich umgesetzt werden. Davon ist Peter Büchel überzeugt. Das Gebäude steht bereits, die Massenspeicher sind eingebaut. Der Innenausbau soll bis September 2015 fertig sein, so dass dann die Forscher – ganz energieneutral – mit ihrer Arbeit loslegen können.

Publikation:

Reinraum mit Nullenergie-Konzept für Wärme und Kälte, contamination control report 2/2014
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