KTI. Energieeffizienz durch die und bei der Kunststoffverarbeitung

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1 Energieeffizienz durch die und bei der Kunststoffverarbeitung Prof. Dr.-Ing. Michael Koch Nachhaltige Mobilität Wirtschaft trifft Wissenschaft Ilmenau, 2. Juni 2010

2 Statements 1 Mehr als 50 Volumen% eines KFZ sind heute aus Kunststoff 2 In der Fahrzeugherstellung werden vergleichbare Energiemengen eingesetzt, wie für den Verbrauch im Fahrzeuglebenszyklus 3 Kunststoffe sind DER Energie- und Ressourcen sparende Werkstoff 4 Der Energieeinsatz bei der Verarbeitung von Thermoplasten kann um mehr als 30% gesenkt werden 5 Leichtbau mit Kunststoff- & Hybridbauteilen aus Nachhaltigkeitsgründen 6 Energiemanagement mit Kunststoffen (Speicherung, Isolation) 7 Die Endlichkeit von Kunststoffen als Werkstoff ist nicht erkennbar 2. Juni 2010 Bild 1 Nachhaltige Mobilität

3 Werkstoffverwendung im KFZ (Golf IV 1,4 / 55 KW) E-Motor & Kabel 1% Glas 4% Leichtmetall 7% Volumenanteile NE Metalle 1% Gummi 9% Lacke 0% Dämmstoffe 10% Sonstige 0% Kunststoffe 44% Stahl & Eisen 24% Gewicht Dichte gr Anteil gr/cm³ cm³ Anteil Stahl & Eisen ,8% 7, ,6% Kunststoffe ,8% 1, ,0% Leichtmetall ,2% 2, ,8% Gummi ,4% 1, ,9% Glas ,0% 2, ,6% E-Motor & Kabel ,5% 8, ,9% NE Metalle ,0% 9, ,7% Dämmstoffe ,6% 0, ,8% Lacke ,4% 2, ,5% Sonstige ,2% 3, ,2% Gesamt (*) % % (*) - ohne Hilfs- und Betriebsstoffe Volumen K & G Anteil von > 60% Quelle: Sachbilanz Golf IV, Volkswagen AG 2. Juni 2010 Bild 2 Nachhaltige Mobilität

4 Unschärfen in der Bilanzierung des Energieeinsatzes bei der Fahrzeugherstellung Zulieferindustrie nur werkstoffbezogen berücksichtigt Werkstoffverarbeitung fehlt Logistik- und Wertschöpfungsketten bleiben unberücksichtigt Werkstoffherstellung pauschalisiert 2. Juni 2010 Bild 3 Nachhaltige Mobilität

5 Energieaufwand in der Herstellung: Kunststoff ist ein energie-sparsamer Werkstoff Material Schmelztemperatur [ c ] Glasübergang Schmelze Zersetzung Graphit 3650 Kohlefaser 3650 Diamant 3500 Wolfram 3380 Titancarbid 3100 Platin 1770 Stahl Kupfer 1083 Gold 1063 Aluminium 650 Zinn % -76% -33% Polyimid 400 PTFE PET PC PVC PA PS PP HDPE LDPE Juni 2010 Bild 4 Nachhaltige Mobilität

6 Warum ist Energieeffizienz für Betriebe der Kunststoffverarbeitung ein Thema? Betrieb 1: 2,5 MW Verbrauch Betrieb 2: 2,1 MW Verbrauch Betrieb 3: 4,2 MW Verbrauch Verpackungsmittelhersteller Eimer, Becher, etc. 30 Maschinen to 5000 h Produktionsstunden p.a. Auftragsfertigung Kleinteile Kleinteile EETOP 70 Maschinen to 3500 Produktionsstunden p.a. Automobilzulieferer Außenteile, mittel bis groß 35 Maschinen to 5000 Produktionsstunden p.a. 2. Juni 2010 Bild 5 Nachhaltige Mobilität

7 Vier Einsparpotenziale Verfahrenstechnik Maschinentechnik Energie-Harvesting Wärmerückgewinnung Werkzeug Kühlsysteme (z.b.impulskühlung) Antriebssysteme Energiewandlung Umsetzung der tatsächlich erforderlichen Verarbeitungsenergie: 1. Aufschmelzen 2. Formgebung Maschineneinstellung Formauslegung Prozessführung 3. Wärmegewinnung bei der Abkühlung Wirkungsgrad 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 Hydraulisch Motor Ventile + Rohre + Leitungen 0,88-0,96 0,78-0,95 0,75-0,9 Voll-elektrisch Hydraulikpumpe Hydraulikmotor Zylinder η 1 η 2 η 3 η 4 = η total Hydraulisch Voll-elektrisch Motor 0,88-0,96 0,65-0,9 0,33-0,74 0,9-0,98 Getriebe Riemen+KGT 0,46-0,8 η 1 η 2 = η total 0,91-0,95 0,8-0,91 0,88-0,94 0,77-0,9 Produktionsplanung Betriebspunktorientierte Maschinenbelegung Fabrikbetrieb Kunststoffe sind neue Werkstoffe: Wissen um innovative Technologien 2. Juni 2010 Bild 6 Nachhaltige Mobilität

8 Leichtbau als Hebel zur Antriebsenergiereduzierung: 100 kg Fahrzeuggewicht kosten 0,4 0,7 ltr./100 km Kraftstoff Quelle: Audi AG 2. Juni 2010 Bild 7 Nachhaltige Mobilität

9 Aktive Handlungsfelder im Leichtbau Quelle: Audi AG 2. Juni 2010 Bild 8 Nachhaltige Mobilität

10 Karosserie Leichtbau: Technologien auf Kunststoffbasis: Mehr als der Einsatz leichter Werkstoffe Konzepte (XRIM, RTMV, CPP) Modelle (Stabilität) Chemie (Taktzeiten) Werkzeugsysteme Verfahrens- Prozess- Werkstoff- Produktionstechnologie Hybrid- Materialien Faserverstärkte Duroplaste Werkstoffkonzepte GMT & SMC Thermoplaste LGF & KGF Thermoplaste 2. Juni 2010 Bild 9 Nachhaltige Mobilität

11 Technologievorsprung im Leichtbau schafft Märkte und Arbeitsplätze 2. Juni 2010 Bild 10 Nachhaltige Mobilität

12 Neue Mobilitätsquellen erfordern neue Wärmenutzung: Latentwärmespeicher für die Elektromobilität Verteilung des Erfolgspotentials Verbrennungsmotor /Range Extender Reibbremse Elektromotor Batterie (thermisch) Batterie (elektrisch) Getriebe Achsgetriebe Feder-Dämpferelement Bereich des erfolgsversprechenden Potentials Wärmequellen Wärmesenken Quelle: Studie TU Ilmenau Quelle: 2. Juni 2010 Bild 11 Nachhaltige Mobilität

13 Kunststoffe lassen sich hervorragend konditionieren: Energiespeicherung als Speicher und Isolator 25 latent Material Wärmeleitfähigkeit [W/mK] 15 Energie 5 Sensible Wärmespeicherung Temperatur sensibel Wärme wird direkt in die Erwärmung eines Materials umgesetzt. Latente Wärmespeicherung Wärme wird für Phasenumwandlungsprozesse genutzt (Kristallisation, chem. Prozesse), die Temperaturerhöhung findet (ideal) erst nach dem Abschluss dieser Prozesse statt. Für Kunststoffe sind damit alle teilkristallinen thermoplastischen Materialien interessant (Paraffine, PE, PP, etc.) Dichte (< 1gr/cm³), Wärmeleitfähigkeit (0,2 W/m K), spez. Wärmekapazität (1-2 J/ g K), Schmelzenthalpie (ca.300 J/ g) Kupfer Gold 312 Aluminium Wolfram 162 Magnesium 170 Chrom 90 Stahl (ferritisch) Titan 22 Stahl (austenitisch) Quarzglas 1,4 Glas 0,7-1,1 GFK 0,31-0,44 PET 0,28 PVC 0,19 PA 0,25-0,35 PS 0,17 PP 0,23 HDPE 0,43 LDPE 0,35 PS geschäumt 0,025 Luft 0,05 2. Juni 2010 Bild 12 Nachhaltige Mobilität

14 Nachhaltige Werkstoffauswahl nachwachsende Ausgangsstoffe Bio Kunststoffe Bio Kunststoffe nicht abbaubar abbaubar konventionelle Kunststoffe Bio Kunststoffe ca.6% heutiger Erdölressourcen werden zu Kunststoffen verarbeitet petrochemisch basierte Ausgangsstoffe 2. Juni 2010 Bild 13 Nachhaltige Mobilität

15 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!