Ressourcenschonende effiziente i Energienutzung und Reduzierung der CO 2 -Emissionen durch elektrische Prozesswärme

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1 Graduierten- und Forschungsschule Effiziente Energienutzung Stuttgart (GREES) Stuttgart, Ressourcenschonende effiziente i Energienutzung und Reduzierung der CO 2 -Emissionen durch elektrische Prozesswärme Egbert Baake Institut für Elektroprozesstechnik Leibniz Universität Hannover 1

2 Institut für Elektroprozesstechnik Leibniz Universität Hannover 2

3 Institut für Elektroprozesstechnik Entwicklung und Optimierung von elektrothermischen Prozessen und Anlagen für: Induktive Schmelztechnik Schmelzen im Kaltwand-Induktionsofen Schwebeschmelzen Schmelztechniken für Keramiken und Gläser Induktives Erwärmen von Metallen Banderwärmung im magnetischen Querfeld Wärmebehandlung, Randschichthärten komplexer Geometrien Innovative Verfahren zur Durcherwärmung Induktives Schweißen Einsatz EM-Felder zur Herstellung neuer Werkstoffe sowie zur Züchtung von Kristallen für Halbleiter- und PV-Anwendungen Elektromagnetische Beeinflussung von Werkstoffen (EPM) 3

4 Institut für Elektroprozesstechnik ¼ h-leistungsmittelwerte kwh / t /4 h- -Leistungsmittelwerte in kw Zunder Erwärmen :00 1:00 2:00 3:00 4:00 5:00 6:00 7:00 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 22:00 23:00 0: Uhrzeit Ofen 1 Ofen 2 Ofen 3 Ofen 4 Ofen 5 0 Kammerofen Stoßofen konduktiv induktiv Tageslastgang der Schmelzöfen einer Giesserei Endenergievergleich von Öfen zur Schmiederwärmung Vom Institut betreute Photovoltaikanlage Ressourcen- und umweltschonende Energienutzung: Energiemanagement von Gebäuden und industriellen Anlagen Energiebedarf und CO 2 -Emission i von Prozesswärmeverfahren Solarenergiesysteme (Photovoltaik, Solarthermie) Infrarot-Thermografie, EMV-Messung, Energieflussmessung Messsystem zur Durchführung von EMV- Messungen Fehlersuche an einer Energieschaltanlage mit Hilfe der Infrarotthermographie 4

5 Institut für Elektroprozesstechnik Problemlösung durch: Numerische Modellierung und Prozesssimulation von gekoppelten elektromagnetischen, thermischen und fluiddynamischen Effekten Mathematische Optimierungsverfahren Experimentelle Untersuchungen an Versuchs- und Industrieanlagen Beratung von Energieversorgern, Anlagenherstellern ll und danwendern elektrothermischer Verfahren 5

6 Übersicht Einführung Energiebedarfsstrukturen und energetische Prozessketten Potenziale zur Effizienzsteigerung i i Verfahrensbeispiele Zukünftige Entwicklungen und Substitutionspotenziale Zusammenfassung 6

7 Endenergiebedarf d in Deutschland (2013) Verkehr 28,2 % Industrie 28,5 % GHD 15,2 % Haushalt 28,1 % GHD: Gewerbe, Handel, Diensleistung Quelle: Arbeitsgemeinschaft Energiebilanzen 09/2014 Summe: PJ 7

8 Endenergiebedarf der deutschen Industrie (2013) Mech. Energie 22% Beleuchtung 1% Inf. u. Komm. 1% Prozesskälte 1% Klimakälte 1% Raumwärme 9% Prozesswärme 65% Summe: PJ Quelle: Arbeitsgemeinschaft Energiebilanzen 09/2014 8

9 Endenergieträger im Bereich industrielle Prozesswärme (2013) Summe: PJ Quelle: Arbeitsgemeinschaft Energiebilanzen 09/2014 9

10 Beurteilungskriterien für industrielle thermische Prozesse Anwendung Prozessanforderungen (Temperatur, Ofenatmosphäre) Produktanforderungen (Qualität, Reproduzierbarkeit) Produktionsanforderungen (Durchsatz, Flexibilität) Betriebsanforderungen (Integration, Bedienung) Beurteilungs- Kriterien Wirtschaftlichkeit Anlagen-, Betriebskosten Produktivität Wartungsaufwand... Umweltschutz Abgase, Abfälle Lärm-, Wärmebelastung Rohstoffnutzung CO 2 -Emissionen... 10

11 Hohe Temperaturen realisierbar Definierte örtliche und zeitliche Erwärmung auch innerhalb des Gutes Exakte Temperaturverteilung t im Werkstück k Elektromagnetisches Prozessierung Hohe Integration in Fertigungslinien Hohe Zuverlässigkeit Reproduzierbare Prozessbedingungen Hohe Leistungsdichte Selektive lokale Erwärmung Vorteile durch Stromeinsatz im Prozesswärmebereich Hohe Effizienz Hohe Energieintensität Geringe thermische Trägheit Hohe Betriebsflexibilität Hohe Erwärmungsgeschwindigkeit Keine Schadstoffbelastung am Anwendungsort Hoher Automatisierungsgrad Beliebige Prozessatmosphäre Geringer spezifischer Energiebedarf 11

12 Energetische Prozessketten Energetische Prozessketten und Primär-Energie-Faktoren (PEF) Primärenergie Förderung zur Umrechnung zwischen End- und Primärenergie sowie endenergiebezogener CO 2 -Emissionen Transport Beispiele für Deutschland: Verbrennung ebe von Se Steinkohlenkoks: e o 0,473 kg CO 2 -Emissionen pro kwh Umwandlung Verarbeitung Transport Verbrennung von Erdgas: 0,227 kg CO 2 -Emissionen pro kwh Strom Kraftstoff Stromerzeugung in D (2007): 0,509 kg CO 2 -Emissionen pro kwh Endenergie 12

13 Energetischer und umweltrelevanter Vergleich von Prozesswärmeverfahren Endenergie Primärenergie CO 2 -Emissionen Direkter Energiebedarf - Energiebedarf einzelner Prozessschritte, z. B. Schmelzen von Metallen, Erwärmen zur anschließenden Umformung Vergegenständlichte Energie - energetische und umweltrelevante Beurteilung von Materialverlusten beim Schmelzen - kumulative Energie eines Materials bzw. eines Produktes - Bestimmung durch Prozesskettenanalyse (VDI 4600) 13

14 Potenziale zur Effizienzsteigerung und ressourcenschonenden Energienutzung in der industriellen (thermischen) Prozesstechnik Verbesserung der Energienutzung - Verbesserung der Prozesslinienwirkungsgrade, Abwärmenutzung - Energiecontrolling, Energie- und Lastmanagement Verkürzung von Prozesslinien- und Prozessketten - Integration von Prozessschritten in Fertigungslinien Reduzierung von Prozessschritten - Endabmessungsnahe Herstellung von Halbzeugen und Werkstücken, Kombination von Prozessschritten Hybrid-Lösungen und -Technologien - Kombination unterschiedlicher Verfahren und Technologien, z.b. brennstoffbeheizte und elektrothermische Verfahren Erhöhung des Automatisierungsgrads - Robotertechnik, t Bildverarbeitung, it Sensorik, Industrie

15 Maßnahmen zur Verbesserung der Effizienz und ressourcenschonenden Energienutzung in der thermischen Prozesstechnik Energetische Optimierung konventioneller Verfahren, Prozesse und Anlagen Substitution oder Kombination vorhandener Verfahren, Prozesse und Anlagen Entwicklung und Einführung neuer zukunftsweisender hocheffizienter Verfahren, Prozesse und Anlagen Wichtig: Energetische Betrachtung, Planung und Bewertung der gesamten Prozess- und Produktionskette! ganzheitliche h Effizienzoptimierungi i 15

16 Maßnahmen zur Verbesserung der Effizienz in der elektrothermischen Prozesstechnik Energetische Optimierung konventioneller Verfahren, Prozesse und Anlagen Substitution oder Kombination vorhandener Verfahren, Prozesse und Anlagen Entwicklung und Einführung neuer zukunftsweisender hocheffizienter Verfahren, Prozesse und danlagen 16

17 Verfahrensbeispiele: Schmelzen von Metallen 17

18 Energiebedarf in einer Eisengießerei 6% 10% 5% 4% 75% Prozesswärme Druckluft Lüftung / Beleuchtung Maschinen / Anlagen Sonstige Verbraucher Ziel: Senkung der Energiekosten durch Reduzierung des spezifischen Energiebedarfs 18

19 Verbesserungspotentiale des spezifischen Energiebedarfs beim Schmelzen in Induktionsöfen theor. für Gusseisen auf 1500 C: 390 kwh/t Optimaler Energiebedarf: 520 kwh/t Im praktischen Schmelzbetrieb kwh/t Einflussgrößen und Verbesserungspotentiale: Ofengröße und Ofenkonstruktion Konzept der Schmelzanlage (Peripherie) Ofenfahrweise Betriebsorganisation 19

20 Verbesserungspotentiale Beispiel: Schmelzbetrieb in einer Eisengießerei Ofenkonstruktion: % vom Energiebedarf absolut - Aktive Spule (optimiertes Profil) 0,5 % 3,0 kwh/t - Kühlspule (unmagn. Stahl, optimiertes Profil) 0,8 % 5,0 kwh/t - Tiegelausführung (Wandstärke -20 mm) 1,5 % 9,0 kwh/t (Konusdurchmesser + 30 mm) 0,5 % 3,0 kwh/t Summe 3,3% 20,00 kwh/t Peripherie: Kühlwasserpumpen (geregelt) 0,3 % 1,8 kwh/t Kühlturm (Leistungsangepasst) 0,2 % 1,2 kwh/t Absaugung (geregelt) 0,5 % 3,0 kwh/t Summe 1,0 % 6,0 kwh/t Ofenfahrweise: - Reduzierung von Neben- oder Warmhaltezeiten (-15 min) 1,5 % 9,0 kwh/t - Vermeiden von Deckelöffnungszeiten (-10 min) 1,5 % 9,0 kwh/t - Reduzierung von Wärmeverlusten beim Transport der Schmelze (15 K weniger Überhitzung) 0,7 % 4,0 kwh/t Summe 3,7 % 22,0 kwh/t Summe gesamt 8,0 % 48,0 kwh/t 20

21 Maßnahmen zur Verbesserung der Effizienz in der elektrothermischen Prozesstechnik Energetische Optimierung konventioneller Verfahren, Prozesse und Anlagen Substitution oder Kombination vorhandener Verfahren, Prozesse und Anlagen Entwicklung und Einführung neuer zukunftsweisender hocheffizienter Verfahren, Prozesse und danlagen 21

22 Technologien zum Schmelzen von Gusseisen Kupolofen Kaltwind - Sauerstoffzusatz - Sauerstoffzusatz und Sekundärluft Drehtrommelofen - Öl beheizt - Gas beheizt mit Sauerstoffzusatz Induktionsofen Netzfrequenz- Induktions- Tiegelofen Heißwind i - Sauerstoffzusatz Kokslos (Gas) Mittelfrequenz- Induktions- Tiegelofen 22

23 Energiebedarf eines Kupolofens Typische Daten eines modernen Kupolofens: Energieverbräuche: Koks: kwh/t Gas: 20 kwh/t Strom: 30 kwh/t Gesamt: kwh/t 23

24 Energiebedarf eines Induktionstiegelofens Typische Daten eines Induktionstiegelofens: Spez. Energiebedarf: Gusseisen: kwh/t Aluminium: kwh/t Kupfer: kwh/t Messing (Ms58): kwh/t 24

25 Endenergiebedarf beim Schmelzen von Gusseisen kwh/t Kaltwind Heißwind kokslos NF-ITO MF-ITO Drehtrom. Kupolöfen Induktionsöfen Aufkohlung Abbrand Erdgas/Erdöl Strom Koks 25

26 Primärenergiebedarf beim Schmelzen von Gusseisen MJ/t Kaltwind Heißwind kokslos NF-ITO MF-ITO Drehtrom. Kupolöfen Induktionsöfen Aufkohlung Abbrand Erdgas/Erdöl Strom Koks 26

27 Umrechnungsfaktoren für CO 2 -Emission Steinkohlenkoks: Erdgas: 0,473 kg/kwh 0,227 kg/kwh Strom: (D, 1996*): 0,615 kg/kwh (D, 2007): 0,509 kg/kwh (D, 2020**): 0,345 kg/kwh * Baake/Jörn/Mühlbauer: Energiebedarf und CO 2 -Emission industrieller Prozesswärmeverfahren, Vulkan Verlag, 1996 ** Branchenprognose 2020 mit 47% regenerativ erzeugter Energie 27

28 CO 2 -Emission beim Schmelzen von Gusseisen (1996) kg/t Aufkohlung Abbrand Erdgas Strom Koks Kaltwind Heißwind kokslos NF-ITO MF-ITO Drehtrom. Kupolöfen Induktionsöfen Quelle: Baake/Jörn/Mühlbauer: Energiebedarf und CO 2 Emission industrieller Prozesswärmeverfahren, Vulkan Verlag,

29 CO 2 -Emission beim Schmelzen von Gusseisen (2007) kg/t Aufkohlung Abbrand Erdgas Strom Koks Kaltwind Heißwind kokslos NF-ITO MF-ITO Drehtrom. Kupolöfen Induktionsöfen 29

30 CO 2 -Emission beim Schmelzen von Gusseisen (2020) kg/t Aufkohlung Abbrand Erdgas Strom Koks Kaltwind Heißwind kokslos NF-ITO MF-ITO Drehtrom. Kupolöfen Induktionsöfen 30

31 Verfahrensbeispiele: Schmelzen von Aluminium 31

32 Schmelzen von Aluminium Brenner Aluminium Schrott Schmelze Gasbeheizter Ofen Induktion-Rinnenofen 32

33 Schmelzen von Aluminium: Energiebedarf und Materialverluste durch Abbrand Gewinnung von Primär-Aluminium: kumulative Endenergie: kwh/t kumulative Primärenergie: MJ/t kumulative CO 2-Emission: kg/t Gewinnung von Sekundär-Aluminium: Direkter Bedarf an Endenergie: ca. 600 kwh/t Ersatz der Materialverluste l durch habbrand durch Primär-Aluminium i i beim Schmelzen von 1 t Sekundär-Aluminium: Gas-Ofen Induktions-Ofen Abbrandverluste 1 5 % 0,3 1 % Endenergie kwh/t kwh/t Primär-Energie MJ/t MJ/t CO 2 -Emission kg/t kg/t 33

34 Sekundär-Schmelzen von Aluminium: Energiebedarf und CO 2 -Emissionen i Primärenergie Abbrandverluste Schmelzen CO 2 -Emission i Endenergie 400 MJ / t kg / t IRO: Induktions- 0 Rinnenofen (50 t) Gasofen IRO Gasofen IRO Gasofen IRO 0 34

35 Hybrid-Technologie: Elektromagnetische Rührer in gasbeheizten Aluminiumschmelzöfen EMS ermöglicht gute und schnelle Homo- genisierung der gesamten Schmelze: Reduzierung der Schmelzzeit um etwa 20% Reduzierung des Energiebedarfs um 10 bis 15% Reduzierung der Abbrandverluste um 20 bis 40% Quelle: ABB EMS: Electro-Magnetic Stirring 35

36 Maßnahmen zur Verbesserung der Effizienz in der elektrothermischen Prozesstechnik Energetische Optimierung konventioneller Verfahren, Prozesse und Anlagen Substitution oder Kombination vorhandener Verfahren, Prozesse und Anlagen Entwicklung und Einführung neuer zukunftsweisender hocheffizienter Verfahren, Prozesse und Anlagen 36

37 Induktive Bolzenerwärmung Cu-Spule Konventioneller Induktionserwärmer Magnetfeld Spulenstrom Ruhender Bolzen Induzierter Strom Quelle: Zenergy Power GmbH Bültmann GmbH 37

38 Induktive Bolzenerwärmung Hochtemperatur Supraleiter-Erwärmer ω Cu-Spule HTS-Spule Spulenstrom Ruhender Bolzen Rotierender Bolzen Induzierter Strom Konventioneller Induktionserwärmer Magnetfeld Quelle: Zenergy Power GmbH Bültmann GmbH 38

39 Aufbau des Bolzenerwärmers mit supraleitender Spule Vakuum Magnetischer Fluss HTS-Spule HTS-Strom Magnetkern Wirbelströme rotierender Bolzen Isolation Drehrichtung Quelle: Zenergy Power GmbH 39

40 Supraleiter-Technologie für die Bolzenerwärmung Cryo-Kompressor Magnet Lagerung Lagerung Motor Motor Joch Quelle: Zenergy Power GmbH Bültmann GmbH 40

41 Vorteile der Supraleiter-Technologie für die Bolzenerwärmung Erwärmung von Aluminium, Kupfer und Messing Effizienzsteigerung g von 45% auf 85%! Reduzierung der Erwärmungszeit Hohe Flexibilität: keine Spulenanpassung für verschiedene Bolzen- durchmesser Steigerung der Produktivität um ca. 20% Reduzierung der Betriebskosten Heizleistung: 2,2 t / h (48 Blöcke/ h) Al Quelle: Zenergy Power GmbH Max. Temperatur: 520 C Bültmann GmbH Antriebsleistung: 360kW Spulenleistung: 0,2kW Energieverbrauch: < 150kWh/t Blockabmessung: 7 (178mm x 690mm) 41

42 The Scope for Electricity & Carbon Saving in the EU through the use of EPM Technologies Aim of this project was the investigation of the scope for electricity & carbon saving in the EU through the use of electromagnetic ti processing of materials (EPM). The primary energy factor and CO 2 -emission factor for electricity has been estimated year by year till From now to the year 2050 transformation scenarios have been investigated and compared. The most energy intensive production processes are transformed from the current situation to a situation with up to 100% electrically operated industrial processes. Source: XVII UIE Congress, St. Petersburg, (Russia) May, 2012, E. Baake 42

43 Primary energy factors (PEF) for Europe (EU-27) PEF for fossil energy PEF for electrical energy Energy Carrier Primary energy factor Hard coal 1, Coke 1, Lignite 1, Petroleum products 1, Natural gas 1, PEF for fossil energy can be estimated as constant in the future PEF for electrical energy depends on energy mix PEF is based on a forecast of the European electricity ygeneration XVII UIE Congress, St. Petersburg, (Russia) May, 2012, E. Baake 43

44 CO 2 -emission factors for Europe (EU-27) Energy carrier CO 2 emission factor [g/kwh] Hard coal 406 Coke 473 Lignite 413 Petroleum products 301 Natural gas 227 CO 2-Emissionfactor of fossile energy carrier can be assumed as constant. CO 2 -Emissionfactor for electrical energy depends on energy mix. CO 2 -Emissionfactor of electric energy depends on the future development of the European gross electricity generation. XVII UIE Congress, St. Petersburg, (Russia) May, 2012, E. Baake 44

45 Three different transformation scenarios The reference scenario implies no switching from fossil fuel heated processes to electrical processes The linear scenario assumes a linear increase of the share of electrical processes up to 100% in the year 2050 The so-called shock scenario implies an increase from the current situation to 100% electrical processes between 2020 and 2025 Share of electr ical proce esses 100 % electrical processes Shock scenario Linear scenario Reference scenario 45

46 Final energy consumption of the European industry (EU27) in GWh Reference: Eurostat 2011 (Sum: 3,133,762 GWh) 46

47 Final energy carrier of the European Iron and steel industry in 2009 Reference: Eurostat (Sum: 514,848 GWh) 47

48 Steel production in Europe (EU-27) There are two principle routes of steel production 1 2 Iron ore Scrap Iron ore Blast furnace: Raw iron Midrex Process: Direct reduced iron Oxygen blown converter Electric arc furnace 78 Mio tons 56 % Steel production in 2009: 13 Mio tons 61 Mio tons 44 % 48

49 1: Steel production route (classical route) The first step is the production of raw iron with the blast furnace For the fabrication of 1 ton of crude iron a typical blast furnace needs: 650 kg of iron ore 907 kg of sinter 475 kg of coke 800 MJ of electrical energy 25 kg of scrap 18 % of the blast furnace gas is recovered for the production of coke 49

50 1: Steel production route (classical route) The liquid iron is transformed into steel in an oxygen blown converter Oxygen is pumped through the melt to reduce the carbon The oxygen converter needs for 1 ton of steel: 856 kg of raw iron 65 m 3 of oxygen 287 kg of scrap 29 kg carbon 3 kg coke 82 kg lime 50

51 2: Steel production route The electric arc furnace can be charged with scrap or direct reduced ore The volume is melted down through a powerful electric arc For the production of 1 ton of steel the arc furnace needs: 1,080 kg of raw material 1,500 MJ of electrical energy 30 m 3 oxygen 14 kg coke 38 kg lime 51

52 Iron & steel industry / steel industry 2: Steel production route At the moment nearly all electric arc furnaces are operating with steel scrap The amount of available steel scrap cannot be increased significantly The production of direct reduced ore has to be enlarged The production of 1 ton of direct reduced iron needs approx.: 1,500 kg ore, 376 m 3 of natural gas 486 MJ of electrical power 52

53 Save of final energy By using the linear switching scenario up to 1.3 million GWh of final energy can be saved. By using the shock scenario 1.8 million GWh of final energy can be saved. 1.8 Mio GWh 1.3 Mio GWh 53

54 Save of primary energy By using the linear switching scenario up to 5,680 PJ of primary energy can be saved. By using the shock scenario 7,850 PJ of primary energy can be saved. 7,850 PJ 5,680 PJ 54

55 Save of CO 2 -emission By using the linear switching scenario up to 1,470 million tons of CO 2 -emission can be saved. By using the shock scenario up to 2,040 million tons of CO 2 -emission can be saved. 2,040 Mio tons 1,470 Mio tons 55

56 Zusammenfassung Prozesswärme ist wichtigster industrieller Energiesektor Technisch-wirtschaftliche aber auch zunehmend ökologische Bewertungskriterien sind entscheidend für die Wahl des Energieträgers für industrielle Prozesswärme Bedeutungszuwachs von elektrischer Prozesswärme durch innovative Prozesse und hochqualitative Produkte Zukünftig erhebliches Potenzial zur Ressourcenschonung und Reduzierung der CO 2-Emissionen durch zunehmenden Anteil regenerativer Elektroenergie für elektrische Prozesswärme 56

57 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 57