PROZESSWÄRME. Energieeffizienz in der industriellen Thermoprozesstechnik

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1 INKLUSIVE ebook Franz Beneke, Stephan Schalm (Hrsg.) PROZESSWÄRME Energieeffizienz in der industriellen Thermoprozesstechnik Eine Sonderpublikation der Zeitschriften gwi gaswärme international und ewi elektrowärme international Band II:

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3 Vorwort 5 Vorwort Energie- und Ressourceneffizienz auch 2015 das Leitthema in der industriellen Thermoprozesstechnik Fast ein Drittel der industriell genutzten Energie in Deutschland wird für thermische Produktionsprozesse benötigt. Industrieöfen gehören damit zu den größten Energieverbrauchern. So weit deren Geschichte zurückreicht, so lange arbeiten Hersteller und Betreiber bereits an energetischen Verbesserungen. Die Optimierung der thermischen Prozesskette und ihrer Einzelmodule bis hin zur Abwärmenutzung birgt noch ungehobene Potenziale der Effizienzsteigerung und Ressourcenschonung. Moderne Anlagen benötigen bis zu einem Drittel weniger Energie als Anlagen älterer Bauart. Die Fachzeitschriften gwi gaswärme international und ewi elektrowärme international als Organe des Fachverbandes Thermoprozesstechnik im VDMA, berichten seit Jahrzehnten detailliert über die Möglichkeiten einer energieeffizienten Verfahrensweise durch intelligente technische Lösungen, durch innovative Entwicklungen und unter nachhaltigen Produktionsgesichtspunkten, um Ressourcen zu schonen und rundum effizienter zu wirtschaften. Der Band II Prozesswärme Energieeffizienz in der industriellen Thermoprozesstechnik fasst die Entwicklungen der Jahre 2011 bis 2015 eindrucksvoll zusammen und bietet eine reich bebilderte Zusammenstellung von Fachberichten zum Thema der Energieeffizienz von gasbeheizten sowie elektrothermischen Prozessen. Autoren aus Forschung und Anwendung untersuchen und präsentieren Möglichkeiten der Energieeinsparung in Thermoprozessanlagen. Der Leser erhält einen Überblick über bewährte bis hin zu innovativen Methoden und somit über einen komprimierten Stand der Technik der praktische Nutzen für die tägliche Arbeit ist somit garantiert. Dr. Franz Beneke Fachverband Thermoprozesstechnik im VDMA e.v. Dipl.-Ing. Stephan Schalm Spartenleiter/Chefredakteur Vulkan-Verlag GmbH

4 Thermoprozesstechnik Kompetenznetzwerk Thermoprozesstechnik Erfahrungen austauschen. Impulse geben. Märkte erschließen. Anlagen- und Komponentenhersteller der thermischen Verfahrenstechnik in Deutschland nutzen das Kompetenznetzwerk des VDMA. VDMA, DesignStudio

5 Geleitwort 7 Geleitwort Prozesswärme Energieeffizienz in der industriellen Thermoprozesstechnik Effizient, flexibel, sauber, sicher und wirtschaftlich müssen unsere industriellen Erwärmungsanlagen betrieben werden. Ob elektrisch, mit Erdgas oder mit synthetischen Gasen muss von dem Unternehmen im Einzelfall nach wirtschaftlichen Gesichtspunkten entschieden werden. In Zukunft werden auch Hybridöfen denkbar sein, die je nach Angebot und Erwärmungsaufgabe gas- oder elektrisch beheizt werden können. Die Politik muss die geeigneten Rahmenbedingungen schaffen und dafür Sorge tragen, dass Kosten vom Verursacher getragen und nicht sozialisiert werden. Selbstverständlich muss den Firmen Zeit gegeben werden, sich auf Veränderungen einzustellen. Zuschüsse und Steuerbefreiungen sollten sicher nicht zur Dauersubvention werden. Verlässliche Rahmenbedingungen könnten auch bedeuten, dass Preise für fossile Energien in Zukunft steigen, aber nicht explodieren. Ein Preiskorridor wäre denkbar, der zu Steuererhöhungen bei sinkenden Preisen, aber auch zu Steuersenkungen bei zu stark steigenden Preisen führt. Ähnliches gilt für die Kosten des elektrischen Stroms als Energieträger: Die Energiewende hat bislang bei Industrie und Verbrauchern im Wesentlichen den Eindruck erzeugt, dass Strom immer teurer wird. Eine differenzierte steuerliche Behandlung der elektrischen Energiekosten erscheint angezeigt, wenn der alternative oder ergänzende Einsatz von elektrischer Energie zu einer fallweise gesamtheitlich verbesserten Energiebilanz in der industriellen Thermoprozesstechnik führen kann. Die Effizienzmaßnahmen im Einzelnen können nicht von der Politik vorgegeben werden. Die notwendigen Entscheidungen sind vor Ort in den Unternehmen zu treffen. Nicht zuletzt zeigen die Beiträge in diesem Buch, wie vielfältig die Lösungsansätze zum Thema Energieeffizienz sind. Dabei sind es nicht nur nüchterne wirtschaftliche Überlegungen, sondern auch Leidenschaft und Engagement einzelner Mitarbeiter oder Teams, die zu erfolgreichen Projekten führen. Diese Motivation ist auch in den vielen unterschiedlichen Fachbeiträgen des vorliegenden Buches zu spüren. Wir wünschen allen Lesern, dass sie von dieser Motivation angesteckt selbst eigene Ideen und Kreativität entwickeln, um die aktuellen und künftigen Aufgaben der industriellen Prozesswärme ressourceneffizient und damit auch wirtschaftlich erfolgreich zu gestalten. Dr.-Ing. Andreas Seitzer Vorstandsvorsitzender des Fachverbandes TPT im VDMA Dr.-Ing. Joachim G. Wünning Stellvertretender Vorsitzender des Fachverbandes TPT im VDMA

6 8 Autorenverzeichnis Autorenverzeichnis Dipl.-Ing. Anis Abdurahman SMS Elotherm GmbH Remscheid Tel / Prof. Dr.-Ing. Egbert Baake ETP Institut für Elektroprozesstechnik Leibniz Universität Hannover Tel.: 0511 / baake@etp.uni-hannover.de Dr. Marius Adelt vormals E.ON Ruhrgas AG Essen Tel.: / 5204 marius_adelt@web.de Dipl.-Ing. Jens Bauer Vallourec Deutschland GmbH Düsseldorf Tel.: 0211 / jens.bauer@vallourec.com Dr.-Ing. Wolfgang Adler VDEh Betriebsforschungsinstitut GmbH Düsseldorf Tel.: 0211 / wolfgang.adler@bfi.de Manfred Bauer vormals FBB Engineering GmbH Mönchengladbach Dr. Herwig Altena AichelinHolding GmbH Mödling, Österreich Tel.: +43 (0) 2236 / herwig.altena@aichelin.com Stefan Baur vormals Bloom Engineering (Europa) GmbH Düsseldorf Frank Andrä Inductoheat Europe GmbH Reichenbach Tel.: / andrae@inductoheat.eu Dipl.-Ing. Stefan Beer IAS GmbH Iserlohn Tel.: / s.beer@ias-induction.com

7 Autorenverzeichnis 9 Ralph Behrend TU Bergakademie Freiberg Freiberg Tel.: / ralph.behrend@iwtt.tu-freiberg.de Dr. Marie-Luise Bopp Heraeus Noblelight GmbH Kleinostheim Tel.: / marie-luise.bopp@heraeus.com Dipl.-Ing. Wolfgang Bender VDEh Betriebsforschungsinstitut GmbH Düsseldorf Tel.: 0211 / wolfgang.bender@bfi.de Stefan Braun Smart CAE München Tel.: 089 / stefan.braun@smartcae.de Dr. Franz Beneke VDMA Frankfurt Tel.: 069 / franz.beneke@vdma.org Douglas R. Brown Inductoheat Group Madison Heights, USA Tel.: +1 (0) 248 / dbrown@inductoheat.com Dr. Alexis Bömcke Schmiedag GmbH Hagen Tel.: / a.boemcke@schmiedag.de Dr.-Ing. Klaus Buchner Aichelin Ges.m.b.H Mödling, Österreich Tel.: +43 (0) 2236 / klaus.buchner@aichelin.com M.Sc. Chem. Yvonne Boltz United Process Controls, Inc. West Chester, USA Tel.: +1 (0) 513 / yvonne.boltz@group-upc.com Klaus Buhlmann Oerlikon Leybold Vacuum GmbH Köln Tel.: 0221 / klaus.buhlmann@oerlikon.com Dipl.-Ing. Albert Book Keller HCW GmbH Division MSR Ibbenbüren Tel.: / albert.book@keller-hcw.de Dr. Andreas Buhr Almatis GmbH Frankfurt Tel.: 069 / andus.buhr@almatis.com

8 10 Autorenverzeichnis Dipl.-Ing. Bernd Deimann Otto Junker GmbH Simmerath Tel.: / dei@otto-junker.de Dr. Roland Geres FutureCamp Holding GmbH München Tel.: 089 / roland.geres@future-camp.de Loïc de Vathaire SMS Elotherm GmbH Remscheid Tel.: / l.vathaire@sms-elotherm.com Dipl.-Ing. Jochen Gies SMS Elotherm GmbH Remscheid Tel.: / j.gies@sms-elotherm.com Dr.-Ing. Erwin Dötsch ABP Induction Systems GmbH Dortmund Tel.: 0231 / erwin.doetsch@abpinduction.com Dr.-Ing. Anne Giese Gas- und Wärme-Institut Essen e.v. Essen Tel.: 0201 / a.giese@gwi-essen.de Josef Domagala ENGTRA Engineering & Trade Services, Erkrath Tel.: 0173 / j.domagala@engtra.de Dipl.-Ing. Sven Gose Saacke GmbH Bremen Tel.: 0421 / s.gose@saacke.de Dr. Dan Dragulin Belte AG Delbrück Tel.: / d.dragulin@belte-ag.de Adolf Hanus LOI Thermprocess GmbH Essen Tel.: 0201 / adolf.hanus@tenova.com Dott. Augusto Funghini Andritz Maerz GmbH Düsseldorf Tel.: 0211 / augusto.funghini@andritz.com Dipl.-Phys. Andreas Heßler Hugo Vogelsang GmbH & Co. KG Hagen Tel.: / 86-0

9 Autorenverzeichnis 11 Dr. Volker Heuer ALD Vacuum Technologies GmbH Hanau Tel.: / dr.volker.heuer@ald-vt.de Holger Kehler LOI Thermprocess GmbH Essen Tel.: 0201 / holger.kehler@tenova.com Dr. Marc Hölling ArcelorMittal Hamburg GmbH Hamburg Tel.: 040 / marc.hoelling@arcelormittal.com Ernst Keim promeos GmbH Nürnberg Tel.: 0911 / keim@promeos.com Dipl.-Ing. Mario Hoffelner voestalpine Grobblech GmbH Linz, Österreich Tel.: +43 (0) / mario.hoffelner@voestalpine.com Dipl.-Ing. Rainer Kockegey-Lorenz Almatis GmbH Ludwigshafen Tel.: 0621 / rainer.kockegey-lorenz@almatis.com Ulrich Hofmann Siemens AG Rastatt Tel.: / ulrich.hofmann@siemens.com DI DI(FH) Jürgen Krail Forschung Burgenland GmbH Pinkafeld, Österreich Tel.: +43 (0) 3357 / Dipl.-Ing. Frank Hügel Andritz FBB GmbH Mönchengladbach Tel.: / frank.huegel@andritz.com Dr.-Ing. Christian Krause EMAG eldec Induction GmbH Dornstetten Tel.: / christian.krause@eldec.de Dr.-Ing. Olaf Irretier IBW Dr. Irretier GmbH Kleve Tel.: / olaf.irretier@ibw-irretier.de Dr.-Ing. Friedhelm Kühn Ingenieurbüro für Wärmebehandlung Mülheim an der Ruhr Tel.: 0208 / kuehn.friedhelm@t-online.de

10 12 Autorenverzeichnis Dipl.-Ing. Peter Kuhlow Elektrowärme Parchim Tel.: / Dipl.-Ing. Frank Maschler LOI Thermprocess GmbH Essen Tel.: 0201 / frank.maschler@tenova.com Dipl.-Ing. Dieter Kutzner BTS Engineering GmbH Erkrath Tel.: 0211 / d.kutzner@bts-kutzner.de Dipl.-Ing. Jan Migchielsen Otto Junker GmbH Simmerath Tel.: / jm@otto-junker.de Dr. Klaus Löser ALD Vacuum Technologies GmbH Hanau Tel.: / dr.klaus.loeser@ald-vt.de Dipl.-Ing. Hans-Reimund Müller Aluminium Norf GmbH, Neuss Tel.: / René Lohr Noxmat GmbH Oederan Tel.: / lohr@noxmat.de Prof. Dr.-Ing. Bernard Nacke ETP Institut für Elektroprozesstechnik Leibniz Universität Hannover Tel.: 0511 / nacke@etp.uni-hannover.de Steven MacLean Loesche GmbH Neuss Tel.: 0211 / maclean@loesche.de Dr.-Ing. Jörg Neumeyer vormals ETP Institut für Elektroprozesstechnik Leibniz Universität Hannover Tel.: 0511 / etp@etp.uni-hannover.de Dipl.-Ing. (FH) Dirk Mäder Noxmat GmbH Hagen Tel.: / maeder@noxmat.de Dipl.-Ing. (FH) Marcus Nuding EMAG eldec Induction GmbH Dornstetten Tel.: / marcus.nuding@eldec.de

11 Autorenverzeichnis 13 Dipl.-Ing. Gerald Orlik EnergieAgentur.NRW Wuppertal Tel.: 0202 / orlik@energieagentur.nrw.de Klaus Pfeiffer Schmiedag GmbH Hagen Tel.: / k.pfeiffer@schmiedag.de Christian Pacher FutureCamp Climate GmbH München Tel.: 089 / christian.pacher@future-camp.de Dipl.-Pol.-Wiss. Thomas Reisz EnergieAgentur.NRW Wuppertal Tel.: 0202 / reisz@energieagentur.nrw.de Michael Padberg ABP Induction Systems GmbH Dortmund Tel.: 0231 / michael.padberg@abpinduction.com Günther Reusch Bloom Engineering (Europa) GmbH, Düsseldorf Tel.: 0211 / g.reusch@bloomeng.de Dipl.-Ing. Rainhard Paul Linde AG Hamburg Tel.: 040 / rainhard.paul@de.linde-gas.com Dr. Hans Rinnhofer Otto Junker GmbH Simmerath-Lammersdorf Tel.: / rin@otto-junker.de Dipl.-Ing. (FH) Daniel Petry Andritz Maerz GmbH Düsseldorf Tel.: 0211 / daniel.petry@andritz.com Dr. Valery Rudnev Inductoheat Group Madison Heights, USA Tel.: +1 (0) 248 / rudnev@inductoheat.com Prof. Dr.-Ing. Herbert Pfeifer Institut für Industrieofenbau und Wärmetechnik RWTH Aachen Tel.: 0241 / pfeifer@iob.rwth-aachen.de Gunther Sachse ATS Sachse GmbH Leipzig Tel.: 0172 / gunther.sachse@t-online.de

12 14 Autorenverzeichnis Patrick Michael Saemann LOI Thermprocess GmbH Essen Tel.: 0201 / patrick.saemann@tenova.com Dipl.-Ing. Thorsten Schmitz Vallourec Deutschland GmbH Düsseldorf Tel.: 0211 / thorsten.schmitz@vallourec.com Dipl.-Ing. Peter Sänger Siemens AG Frankfurt Tel.: 069 / peter.saenger@siemens.com Dr. Dominik Schröder Dipl.-Wirtsch.-Ing. Dirk M. Schibisch SMS Elotherm GmbH Remscheid Tel.: / d.schibisch@sms-elotherm.com Dipl.-Wirtsch.-Ing. Stefan Schubotz EFD Induction GmbH Freiburg Tel.: 0761 / szs@de.efdgroup.net Octavio Schmiel Gamarra Noxmat GmbH Oederan Tel.: / schmiel@noxmat.de Dipl.-Ing. Holger Schülbe ETP Institut für Elektroprozesstechnik Leibniz Universität Hannover Tel.: 0511 / schuelbe@etp.uni-hannover.de Bodo Schmitt Jumo GmbH & Co. KG Fulda Tel.: 0661 / bodo.schmitt@jumo.net Christoph Schmitz Aluserve Projektberatung Aluminium Bad Münstereifel Tel.: / 7332 christophschmitz@gmx.de Dr. Marco Schünemann ArcelorMittal Hamburg GmbH Hamburg Tel.: 040 / Dipl.-Ing. Werner Schütt BSN Thermprozesstechnik GmbH, Simmerath Tel.: / werner.schuett@bsn-therm.de

13 Autorenverzeichnis 15 Dipl.-Ing. Stefan Schult Saacke GmbH Bremen Tel.: 0421 / s.schult@saacke.de Dr. Christian Sprung SMS Siemag AG Düsseldorf Tel.: 0211 / Dipl.-Ing. Meinhard Schulte Vallourec Deutschland GmbH Düsseldorf Tel.: 0211 / Dipl.-Ing. Jost Sternberg Saacke GmbH Bremen Tel.: 0421 / j.sternberg@saacke.de Dipl.-Ing. Mario Schulze Noxmat GmbH Oederan Tel.: / m.schulze@noxmat.de Dr. Hansjürg Stiele EFD Induction GmbH Freiburg Tel.: 0761 / sth@de.efdgroup.net Dr. Wolfram Schupe vormals LOI Thermprocess GmbH, Essen Dr.-Ing. Ralf Tanneberger Dr. Tanneberger GmbH Radebeul Tel.: 0351 / info@tanneberger.de Thomas Solbrig vormals Gesenk- und Freiformschmiede Kutsche GmbH Burgstädt Tel.: / info@gesenkschmiede-kutsche.de Jan Willem te Nijenhuis promeos GmbH Nürnberg Tel.: 0911 / tnh@promeos.com Dipl.-Ing. Michael Springer Andritz FBB GmbH Mönchengladbach Tel.: / michael.springer@andritz.com Jörg Teufert vormals Bloom Engineering (Europa) GmbH Düsseldorf

14 16 Autorenverzeichnis Dr. Achim Thus ABP Induction Systems GmbH Dortmund Tel.: 0231 / achim.thus@abpinduction.com Dr.-Ing. Günter Valder Otto Junker GmbH Simmerath Tel.: / 601/328 va@otto-junker.de Dr. Dietmar Trauzeddel Otto Junker GmbH Simmerath-Lammersdorf Tel.: / tra@otto-junker.de Georg Velten LOI Thermprocess GmbH Essen Tel.: 0201 / georg.velten@tenova.com Dipl.-Ing. Helge Traxler BTS Engineering GmbH Erkrath Tel.: 0211 / helge.traxler@bts-kutzner.de Dr.-Ing. Alexander Vogel E.ON Technologies GmbH Essen Tel.: 0201 / alexander.vogel@eon.com Dipl.-Ing. Olaf Trepels Aluminium Norf GmbH Neuss Tel.: / olaf.trepels@alunorf.de Dr.-Ing. Sabine von Gersum Elster GmbH Lotte Tel.: 0541 / sabine.gersum@elster.com Dr. Volker Uhlig TU Bergakademie Freiberg Freiberg Tel.: / volker.uhlig@iwtt.tu-freiberg.de Alexander Ulferts Inductoheat Europe GmbH Reichenbach Tel.: / ulferts@inductoheat.eu Dipl.-Ing. Knuth Wagner RWE Energiedienstleistungen GmbH Dortmund Tel.: 0231 / knuth.wagner@rwe.com Prof. Dr. Klaus Wallner Fakultät für Wirtschaftsingenieurwesen Hochschule Rosenheim Tel.: / klaus.wallner@fh-rosenheim.de

15 Autorenverzeichnis 17 Dipl.-Ing. (FH) Wolfgang Weber Elimo GmbH Riesa Tel.: / info@elimo.org Dipl.-Ing. (FH) Karl-Michael Winter Process-Electronic GmbH Heiningen Tel.: / km.winter@process-electronic.com Ulli Wellner WTMB Wellner Technische Managementberatung Leuk, Schweiz Tel.: +41 (0) 27 / wtmb@wellner.ch Dipl.-Ing. Jörg Wortmann Hugo Vogelsang GmbH & Co. KG Hagen Tel.: / Dr.-Ing. Peter Wendt LOI Thermprocess GmbH Essen Tel.: 0201 / peter.wendt@tenova.com Dr.-Ing. Peter Wübben Linn High Therm GmbH Eschenfelden Tel.: / wuebben@linn.de Donald F. Whipple Bloom Engineering (Europa) GmbH, Düsseldorf Tel.: 0211 / dwhipple@bloomeng.com Dr.-Ing. Joachim G. Wünning WS Wärmeprozesstechnik GmbH Renningen Tel.: / j.g.wuenning@flox.com Dipl.-Ing. Frank Wilden Otto Junker GmbH Simmerath Tel.: / wd@otto-junker.de Dr. Karsten Wünsche MT-BioMethan GmbH Zeven Tel.: / Dipl.-Ing. Franz Winter voestalpine Grobblech GmbH Linz, Österreich Tel.: +43 (0) 732 / franz.winter@voestalpine.com Uwe Zöllig Oerlikon Leybold Vacuum GmbH Köln Tel.: 0221 / uwe.zoellig@oerlikon.com

16 18 Autorenverzeichnis Dipl.-Ing. Edmund Zok SMS Elotherm GmbH Remscheid Tel.: / e.zok@sms-elotherm.com Dipl.-Ing. Jörg Zumbrink Hoesch Hohenlimburg GmbH Hagen Tel.: / Dr. Andrei Zschocke E.ON Innovation Center Energy Storage Essen Tel.: 0201 / EIC-energy-storage@eon.com Ihr persönlicher Online-Zugang * zum ebook Lesen Sie Ihr ebook überall und jederzeit * Siehe Code auf Seite 4

17 Gemeinsam forschen für die Zukunft Forschungsgemeinschaft Industrieofenbau e.v. - FOGI - Der internationale Wettbewerb ist vor allem ein Innovationswettbewerb. Neue Technologien verändern die Produktions- und Arbeitsbedingungen in den Unternehmen. Kein Wirtschaftsbereich ist davon ausgenommen. Technologie ist neben dem Wissen der Rohstoff, den alle Unternehmen brauchen. Nur wer innovativ ist, bleibt anpassungs- und marktfähig. Die Mitgliedsfirmen der FOGI kommen aus den Bereichen: Erwärmen, Schmelzen und Gießen von Metallen Wärme- und Oberflächenbehandlung von Metallen, Keramik und Glas Feuerungstechnik und Brennerbau Gerade auf dem Gebiet der Thermoprozesstechnik ist eine intensive praxisnahe Forschungsarbeit notwendig, um den hohen technischen und wirtschaftlichen Stand zu halten. Forschungsschwerpunkte der FOGI sind die Entwicklung und Optimierung von thermoprozesstechnischen Verfahren und Anlagen auf den Gebieten Ressourcenschonung Prozess-Sicherheit Werkstoffe des Ofenbaues Produktionsoptimierung Forschungsgemeinschaft Industrieofenbau e.v. info@fogi-ev.de Internet

18 Induktive Vielfalt Saubere, energieeffiziente Induktionstechnologie Mit ihren Entwick lungen und Systemlösungen setzen SMS Elotherm und IAS seit Jahrzehnten Maß stäbe in der Induktionstechnik. Als Technologieführer vereinen sie sämtliche Kompetenzen rund um die Induktion. Erwärmen, Schmelzen und Warmhalten von Metallen, Härten und Vergüten, Schweißen und Glühen oder elektromagnetische Rührsysteme Elotherm und IAS sind mit innovativer, sauberer und energieeffizienter Induktionstechnologie die Marktführer.

19 Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis 21 Vorwort...5 von Franz Beneke, Stephan Schalm Geleitwort...7 von Andreas Seitzer, Joachim G. Wünning Autorenverzeichnis...8 Energieeffizienz in der industriellen Prozesstechnik...29 von Egbert Baake, Franz Beneke Fachberichte Teil 1 Energieeffizienz gasbeheizter Thermoprozesse Effiziente Gasbeheizung von Industrieöfen...39 von Joachim G. Wünning Energieeffiziente Ofenbeheizung Regenerative Wärmerückgewinnung mit Flachflammenbrennern...44 von Sabine von Gersum, Wolfgang Adler, Wolfgang Bender Effiziente Verbrennung für Industrieöfen mit der Sauerstoffverbrennung von Rainhard Paul Energieverbrauchs- und Emissionsminderung durch Einsatz von Regenerativbrennern...57 von Jörg Teufert, Stefan Baur Optimierte regenerative Feuerungssysteme für den effizienten Betrieb von Wärmebehandlungsöfen...63 von Ulli Wellner, Dieter Kutzner Verringerung der Wärmeverluste am Tragrohrsystem von Wärmeöfen in der Stahlindustrie...72 von Michael Springer, Frank Hügel Hocheffiziente Grobblechvergütung aus umfassendem Prozess verständnis...80 von Holger Kehler, Dominik Schröder, Wolfram Schupe Softoptimierung Steigerung der Energieeffizienz durch optimierte Prozessführung...88 von Karl-Michael Winter Energieeffiziente Vakuumlösungen für Industrieöfen...96 von Klaus Buhlmann, Uwe Zöllig

20 22 Inhaltsverzeichnis Untersuchungen eines Mehrstoff brenners zur energetischen Nutzung schwachkalorischer Gase von Steven MacLean, Anne Giese, Dieter Kutzner, Helge Traxler Modellgestütztes Energieeffizienz-Monitoring an Industriefeuerungen von Sven Gose, Stefan Schult, Jost Sternberg Wärmetechnische Optimierung einer Erwärmungseinrichtung für Gesenkschmiedeteile von Manfred Bauer, Thomas Solbrig Unternehmen und der EU-Emissionshandel in der Periode von Klaus Wallner, Christian Pacher, Roland Geres Effiziente industrielle Brennertechnik durch Einsatz flexibler Feuerungs automaten von Ulrich Hofmann, Peter Sänger Energieeinsparung durch Schnellerwärmung in der Wärmebehandlung von Patrick Michael Saemann, Dan Dragulin, Dominik Schröder, Adolf Hanus Effizienzsteigerung durch in-situ Sauerstoffmessung im Verbrennungsgas von Yvonne Boltz, Karl-Michael Winter Energieoptimierte Wärmebehandlung von Dominik Schröder Energieeffizientes Umschmelzen und Recycling von Aluminium mit der Sauerstoffverbrennung von Rainhard Paul Effiziente Brennersysteme für Öfen in der Aluminiumindustrie von Günther Reusch, Josef Domagala Betriebserfahrungen mit mathematischer Modellierung neuer Bandbundglühöfen von Bernd Deimann, Jan Migchielsen, Hans-Reimund Müller, Olaf Trepels, Günter Valder, Frank Wilden Bedeutung der flammlosen Oxidation für die Energiewende von Joachim G. Wünning Ressourcen- und Energie reduktion beim intensiven Abkühlen von Stahl von Friedhelm Kühn Neue Heizhaubengeneration zur Energieeinsparung und NO x -Reduzierung von Frank Maschler, Peter Wendt, Georg Velten, Jörg Wortmann, Andreas Heßler, Jörg Zumbrink

21 MultiMelter mit PulsReg Medusa Regenerator Tempern mit mobilen Brenneranlagen Setting The Standards For Highest Efficiency In Thermal Processing

22 24 Inhaltsverzeichnis Herausforderungen und Innovationen der Energiespeicherung Fokus Power to Gas von Alexander Vogel, Marius Adelt, Andrei Zschocke Höhere Effizienz und Produkt qualität durch vollvormischende Brennersysteme von Ernst Keim, Jan Willem te Nijenhuis Energiemanagement Doppelte Pflicht für Anlagenbetreiber von Gerald Orlik, Thomas Reisz Bewertung und Optimierung der Energieeffizienz von Thermo prozessanlagen von Jürgen Krail, Klaus Buchner, Herwig Altena Energieoptimiert vom Aluminiumschrott zum stranggepressten Halbzeug von Günter Valder, Herbert Pfeifer Verringerung des Energieverbrauchs im Teillastbereich am Beispiel eines Durchlaufofens von Ralph Behrend, Marc Hölling, Marco Schünemann, Volker Uhlig Verringerung der Wärmeverluste am Tragrohrsystem eines Stoßofens von Mario Hoffelner, Franz Winter, Michael Springer, Frank Hügel, Andreas Buhr, Rainer Kockegey-Lorenz Energieeinsparung durch Regenerativbrenner am Drehherdofen von Thorsten Schmitz, Jens Bauer, Meinhard Schulte, Augusto Funghini, Daniel Petry Effizienzsteigerung von Power-to-Gas-Technologie durch Biogasaufbereitung von Karsten Wünsche Energiemanagementsysteme im Fokus des steuerlichen Spitzenausgleichs von Knuth Wagner Energieeffizienz Potenziale für gasbeheizte Industrieöfen von Christian Sprung Effizienzsteigernde Instand haltung von Beheizungs einrichtungen von Dirk Mäder, Octavio Schmiel Gamarra, Mario Schulze, René Lohr Thermische Systemsimulation zur Erhöhung der Energieeffizienz von Stefan Braun Energieeinsparung beim Umschmelzen von Aluminiumschrott von Christoph Schmitz Energieeinsparung durch modulares Kontrollsystem für Regenerativbrenner von Stefan Baur, Günther Reusch, Donald F. Whipple

23 schwartz Wärmebehandlungsanlagen Prozesssicher Wirtschaftlich Umweltschonend Mit hoher Verfügbarkeit Weitere Infos unter: schwartz GmbH Edisonstrasse 5 D Simmerath Deutschland schwartz Heat Treatment Systems Asia (Kunshan) Co. Ltd. 278 JuJin Road Zhangpu Town Kunshan City Jiangsu Province , P.R. China schwartz, Inc J. Route 34 Oswego IL USA

24 26 Inhaltsverzeichnis Fachberichte Teil 2 Energieeffizienz elektrothermischer Prozesse Einsatz von Induktionsanlagen in der Produktion von stranggepressten Edelstahlrohren von Stefan Beer Konvektive Erwärmung Aspekte im Industrieofenbau von Olaf Irretier, Werner Schütt Infrarot-Strahler für effiziente industrielle Wärmeprozesse von Marie-Luise Bopp Effizienter Einsatz von Thyristor-Leistungs stellern in der Prozesstechnik von Bodo Schmitt Energiesparpotenzial beim induktiven Schmelzen und Erwärmen von Metallen durch Verringerung der Spulenverluste Teil von Hans Rinnhofer, Egbert Baake, Dietmar Trauzeddel Energiesparpotenzial beim induktiven Schmelzen und Erwärmen von Metallen durch Verringerung der Spulenverluste Teil von Hans Rinnhofer, Egbert Baake, Dietmar Trauzeddel Energetische Optimierung von Induktions härtungsprozessen durch Online-Frequenzanpassung von Alexander Ulferts, Frank Andrä Einsatz neuester Induktionstechnik zur nachhaltigen Steigerung der Ressourceneffizienz in der Massivumformung von Jochen Gies, Dirk M. Schibisch Berührungslose Temperaturmessung von Metallschmelzen von Albert Book Energetische Optimierung von thermo chemischen Vakuumprozessen und Anlagen in der Großserie von Volker Heuer, Klaus Löser Widerstandsbeheizte Drehrohröfen zur Wärmebehandlung von seltenen Erden und Quarzsand von Peter Wübben Energieeffizienz bei der induktiven Erwärmung von Schmiedeblöcken von Michael Padberg, Erwin Dötsch

25 Tageslastgang der Schmelzöfen einer Giesserei ETP Institut für Elektroprozesstechnik Forschung, Entwicklung, Beratung und Service Entwicklung und Optimierung von elektrothermischen Prozessen und Anlagen: ð Induktive Schmelztechnik - Schmelzen im Kaltwand-Induktionsofen - Schmelztechniken für Keramiken und Gläser - Stoff- und Wärmetransport im Induktionsofen ð Induktive Erwärmung von Metallen - Induktive Banderwärmung - Hybridverfahren mit Gas, Laser,... - Randschichthärten komplexer Geometrien - Innovative Lösungen zur Durcherwärmung ð Einsatz elektromagnetischer Verfahren - zur Herstellung neuer Werkstoffe - zur Züchtung von Halbleiterkristallen ð Thermische Behandlung von Werkstoffen ð Elektromagnetische Beeinflussung von Materialien ¼ h-leistungsmittelwerte 6000 Ressourcen- und umweltschonende 5000 Energienutzung: 4000 ð Energiemanagement 3000 von Gebäuden und industriellen Anlagen ð Solare Energiesysteme 1/4 h-leistungsmittelwerte in kw ð Energiebedarf und CO -Emission von Prozesswärmeverfahren ð Infrarot-Thermografie ð EMV-Messungen 0 0:00 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 Uhrzeit 14:00 15:00 16:00 Ofen 1 Ofen 2 Ofen 3 Ofen 4 Ofen 5 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 22:00 23:00 0:00 Problemlösungen durch: ð Experimentelle Untersuchungen an Versuchs- und Industrieanlagen ð Entwicklung neuer Messsysteme ð Numerische Modellierung und Prozesssimulation von gekoppelten elektromagnetischen, thermischen und fluiddynamischen Effekten ð Einsatz von automatischen Optimierungsverfahren ð Beratung von Energieversorgern sowie Anlagenherstellern und Anwendern elektrothermischer Prozesse Kontakt Info Institut für Elektroprozesstechnik Wilhelm-Busch-Str.4 D Hannover Tel.: Fax: homepage: Prof. Dr.-Ing. B. Nacke Tel.: nacke@etp.uni-hannover.de Prof. Dr.-Ing. E. Baake Tel.: baake@etp.uni-hannover.de

26 28 Inhaltsverzeichnis Energieeffizienz und Flexibilität bei der Schmiede erwärmung durch modulares Baukastensystem von Frank Andrä, Valery Rudnev, Douglas R. Brown Stromkostenersparnis und Produktoptimierung in Gießereien von Ralf Tanneberger Einsatz flexibler Induktions einheiten zur Produktions- und Qualitätserhöhung in Warmwalzwerken von Anis Abdurahman, Dirk M. Schibisch Energieeffizienz von Anlagen zum induktiven Randschichthärten von Stefan Schubotz, Hansjürg Stiele Energieeffiziente Leistungs versorgung induktiver Härte- und Erwärmungsprozesse von Edmund Zok, Dirk M. Schibisch Hybrid-Verfahren in der Elektroprozesstechnik von Jörg Neumeyer, Holger Schülbe, Bernard Nacke Modernisierung von Drehstrom-Lichtbogenöfen in Stahlgießereien von Peter Kuhlow, Wolfgang Weber, Gunther Sachse Induktives Härten von Teller- und Antriebskegelrädern von Marcus Nuding, Christian Krause DIN EN ISO Chancen für die Schmiedeindustrie von Dirk M. Schibisch, Loϊc de Vathaire Effiziente Induktionserwärmung für Massivumformteile von Alexis Bömcke, Klaus Pfeiffer, Achim Thus Stimmen der industriellen Thermoprozesstechnik Firmenverzeichnis Inserentenverzeichnis Ihr persönlicher Online-Zugang zum ebook... 4

27 Energieeffizienz in der industriellen Prozesstechnik 29 Energieeffizienz in der industriellen Prozesstechnik von Egbert Baake, Franz Beneke Der industrielle Verbrauchssektor Prozesswärme dominiert mit einem Anteil von etwa 2/3 den gesamten Endenergieverbrauch der deutschen Industrie. Davon werden etwa 13 % entsprechend 63 TWh [1] durch elektrischen Strom und der Rest durch direkte Nutzung fossiler Brennstoffe gedeckt. Hieraus resultiert, dass die Prozesswärme mit einem Anteil von 27 % hinter der mechanischen Energie den zweitgrößten industriellen Stromverbraucher darstellt. Trotz des hohen Entwicklungsstandes der heute eingesetzten Elektroprozessverfahren und -technologien bestehen nach wie vor vielfältige energetische Einsparpotenziale, die aus betriebs- und volkswirtschaftlicher Sicht zukünftig systematisch genutzt werden müssen. Anforderungen an die Energieeffizienz werden ausgehend von neuen und im Anwendungsbereich erweiterten Richtlinien der EU zu erfüllen sein. Im Folgenden wird gezeigt, wie durch unterschiedliche Ansätze Energieeffizienz-Steigerungspotenziale in der industriellen thermischen Prozesstechnik quantitativ erkannt und genutzt werden können. Energieeinsparung und Energieeffizienz sind Begriffe, die aus dem privaten, häuslichen Bereich bekannt sind und bei jedem Erwerb von Kühlgeräten oder Heizungsanlagen als Verkaufs- und Entscheidungsargumente vorgeschlagen werden. Es gibt unterschiedliche Gründe Energie einzusparen oder besser die eingesetzte Energie zu reduzieren: Steigende Energiepreise, Ressourcenschonung, Klimaschutzpolitik, Gesetzliche Anforderungen (Brüssel, Berlin, ), Reduzierung der Importabhängigkeit, Wachstum und Beschäftigung. In der produzierenden Industrie entwickelt sich der Energieverbrauch mehr und mehr zum wettbewerbskritischen Faktor. Gerade aus betriebswirtschaftlicher Sicht wächst daher der Druck, Thermoprozessanlagen auf ihre Effizienz zu prüfen. ENTWICKLUNG UND STRUKTUR DES INDUSTRIELLEN ENDENERGIE- VERBRAUCHS IN DER BRD Aus Bild 1 ist zu ersehen, dass der Endenergiebedarf sowohl in der Industrie als auch in Gewerbe, Handel und Dienstleistung seit 1990 deutlich gesunken ist. Zugleich änderte sich der Energiemix für industriell genutzte Prozesswärme nicht entscheidend (Bild 2). Dabei ist eine Abnahme von Öl und eine Zunahme von Fernwärme bei gleichbleibend hohem Niveau von Gas und Strom festzustellen.

28 30 Einleitung 30% 20% 10% Bild 1: Entwicklung des Endenergieverbrauchs in der BRD (Quelle: BMWi und VDMA) 0% -10% -20% -30% Industrie Verkehr Haushalte Gewerbe, Handel, Dienstleistung Eine differenzierte Betrachtung zeigt, dass der Stromeinsatz im Verbrauchssektor industrielle Prozesswärme in den letzten 10 Jahren um rund 4 % zunahm, obwohl der Verbrauch der Grundstoff schaffenden Industrie in Deutschland abnahm. Gründe hierfür sind neben der verstärkten Automatisierung auch die Zunahme elektrothermischer Verfahren, die bei der Produktion von besonders hochwertigen Produkten in komplexen Produktionsprozessen, wie z. B. in der optischen Industrie oder bei der Herstellung von speziellen metallischen Werkstoffen und Bauteilen sowie in der Halbleiterindustrie verstärkt eingesetzt werden. Etwa 4/5 des industriellen Stromeinsatzes für Elektroprozessenergie wird heute in den Sektoren Chemie, Nichteisen-Metallindustrie und der Eisen schaffenden Industrie eingesetzt. Aus produktspezifischer Sicht dominieren mit einem Anteil von etwa 50 % die Elektrolyseprozesse zur Herstellung von Chlor, Hüttenaluminium und anderer Grundstoffe wie Phosphor, Calciumkarbid deutlich den industriellen Prozessstromverbrauch. Hierbei handelt es sich im eigentlichen Sinne nicht um eine wärmetechnische, sondern elektrochemische Verwendung des Stroms. Der Stromeinsatz für Elektroprozesswärme mit einem Anteil von etwa 30 TWh verteilt sich auf eine Vielzahl industrieller Bereiche und Anwendungen. Der größte Verbrauchssektor dabei ist die Herstellung von Elektrostahl mit einem Anteil von rund 7 TWh. ENERGIEEINSPARUNG UND ENERGIEEFFIZIENZ Im industriellen Bereich werden die Begriffe Energieeinsparung und Energieeffizienz und deren Umsetzung immer mehr mit dem Maschinenbau und insbesondere der Thermoprozesstechnik und der entsprechenden Zulieferindustrie in Verbindung gebracht. Thermoprozessanlagen (umgangssprachlich: Industrieöfen) sind in den letzten Jahren immer wieder in den Fokus der Öffentlichkeit geraten, da diese verfahrenstechnisch bedingt in der Summe zu den großen Energieabnehmern gehören. Deshalb gibt es ausgehend von der Europäischen Kommission Aktivitäten, die den Energieverbrauch von Thermoprozessanlagen einschränken sollen. Über die Ökodesign-Richtlinie [3] wird die Europäische Union Regeln für die umweltfreundliche Konstruktion und Entwicklung von neuen Anlagen und Produkten vorgeben. Dies ist auch für Industrieöfen in der Verabschiedung. Für große Thermoprozessanlagen sollen Energieeffizienzanforderungen in den sogenannten BREFS festgelegt werden. Grundlage hierfür ist die Industrial Emission Directive (2010/75/

29 Energieeffizienz in der industriellen Prozesstechnik 31 Bild 2: Energiemix für industriell genutzte Prozesswärme in der BRD (Quelle: BMWi und VDMA) ohne Strom Klimakälte, Prozesskälte, IKT, Beleuchtung) & Raumwärme & Warmwasser EU). Für mittlere Anlagen sind Begrenzungen der max. Abgastemperatur, der max. Wandverlustwärmeströme und des max. zulässigen Gas-/Luftverhältnisses geplant. Noch sind nur große Industrieöfen vom Handel mit CO 2 -Emmissionsrechten betroffen. Allerdings kann nicht ausgeschlossen werden, dass die Europäische Union in Zukunft ihre Bewertungskriterien auf Anlagen mittlerer Größe ausweitet. Ineffiziente Anlagen würden dann je nach Branche mit einer zusätzlichen Abgabe belegt. DIE ENERGIEKOSTEN STEIGEN Die Energiekosten steigen und werden es auch weiterhin tun. So explodierten die Strompreise und auch die Gaspreise für die deutsche Industrie seit dem Jahr 2000 um mehr als 200 % (Bild 3 und Bild 4). BRANCHENÜBERGREIFENDE POTENZIALE Neben branchenbezogenen Potenzialen, z. B. in der Thermoprozesstechnik, gibt es in der industriellen Produktion branchenübergreifende Themenfelder, sogenannte Querschnittstechnologien, zur Energieeffizienzsteigerung. Dazu können gezählt werden: Pumpen & -systeme, Ventilatoren & -systeme, Motorische Antriebe (z. B. Elektromotoren), Dampf- und Kälteerzeugung, Drucklufttechnik, Industrielle Lichtanwendung, Industrielle Heizung und Klimatisierung, Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung.

30 32 Einleitung Bild 3: Entwicklung des Erdgaspreises in ausgewählten Staaten der EU (Quelle: BMWi und VDMA) Vielfach finden sich Komponenten aus diesen branchenübergreifenden Themenfeldern auch in Thermoprozessanlagen wieder, wie z. B. Pumpen, Ventilatoren oder Elektromotoren. Das Energieeinsparpotenzial wird meistens unterschätzt und bedarf einer eingehenden Analyse [4]. EINSPARPOTENZIALE IN DER THERMISCHEN PROZESSTECHNIK Die elektrothermische Prozesstechnik ist eine Querschnittstechnologie und nimmt bei vielen industriellen Herstellungs- und Bearbeitungsprozessen aus technologischer und energetischer Sicht eine zentrale Bedeutung ein. Trotz des hohen Entwicklungsstandes der eingesetzten elektrothermischen Technologien bestehen nach wie vor energetische und wirtschaftliche Einsparpotenziale gerade in energieintensiven Bild 4: Entwicklung des Strompreises in ausgewählten Staaten der EU (Quelle: BMWi und VDMA)

31 Energieeffizienz in der industriellen Prozesstechnik 33 Branchen, wie z. B. in der Stahlindustrie, in Eisen- und Nichteisen-Gießereien sowie in der Glas- und Keramikindustrie. Die energetischen und wirtschaftlichen Einsparpotenziale der Erwärmungs- und Schmelzprozesse unterliegen einer Vielzahl von anlagen- und insbesondere prozessspezifischen Einflussfaktoren, deren quantitative Wirkungen dem Betreiber oft unbekannt sind. Infolgedessen arbeiten zahlreiche Anlagen und Prozesse aus energetischer, wirtschaftlicher und damit ressourcenschonender Sicht nicht optimal. Dies gilt sowohl für die mittelständische Industrie als auch für die großen Industrieunternehmen. Die Verbesserung der Energieeffizienz im Bereich der industriellen Prozesswärme erfordert eine anwendungsspezifische, umfassende Analyse und Bewertung des jeweiligen thermischen Prozesses, d. h. Ansätze zur Steigerung der Energieeffizienz sind überwiegend prozessorientiert. Da die Produktionsprozesse zunehmend komplexer werden, ist zur Bewertung und gezielten Nutzung der Einsparpotenziale die Betrachtung und Analyse der gesamten Prozess- bzw. Produktionskette erforderlich. Die isolierte Untersuchung und Verbesserung einzelner Anlagen oder Prozessstufen führt oft nicht zu den gewünschten Einspareffekten. Vor diesem Hintergrund ist eine allgemeingültige, auf eine Branche oder auf ein elektrothermisches Verfahren bezogene Aussage zu den spezifischen Einsparpotenzialen durch Optimierung elektrothermischer Prozesse nur näherungsweise möglich. Zur Verbesserung der Energieeffizienz bei thermischen Prozessen lassen sich drei Ansatzpunkte nennen: I. Optimierung vorhandener Prozesse und Anlagen Zur Bestimmung möglicher Einsparpotenziale müssen alle erforderlichen energietechnischen und energiewirtschaftlichen Prozess- und Produktionsparameter über bestimmte Zeiträume erfasst und analysiert werden. Durch den Vergleich mit theoretischen und branchentypischen Kennzahlen (Benchmarking) können energetische Einsparpotenziale aufgedeckt, bewertet und Maßnahmen zum Heben dieser Potenziale unter Berücksichtigung ihrer Wirtschaftlichkeit eingeleitet werden. In vielen Fällen lässt sich die Energieeffizienz durch eine verbesserte Abstimmung bzw. Anpassung der Erwärmungs- oder Schmelzprozesse an die vor- bzw. nachgeschalteten Produktionsschritte erheblich verbessern. Durch geeignete technische und/oder organisatorische Maßnahmen lassen sich oft energetisch ungünstige Betriebszustände, wie Leerlaufbetrieb, Teillastbetrieb, der sogenannte Warmhaltebetrieb oder das zweimalige Erwärmen oder Schmelzen von Kreislaufmaterial vermeiden oder zumindest einschränken. Praktische Untersuchungen haben gezeigt, dass hierdurch mitunter Einsparungen von bis 40 % möglich sind [5]. Die vorhandenen Erwärmungs- und Schmelzanlagen müssen in regelmäßigen Abständen auch hinsichtlich ihres spezifischen Energiebedarfs ggf. messtechnisch überprüft werden. Bei älteren Anlagen lassen sich durch die Verbesserung der thermischen Isolierung, durch den Einbau verbesserter Temperaturmesstechnik, durch die Optimierung der Ofensteuerung und Ofenregelung erhebliche Einsparungen erzielen. Leistungs- und Energiespitzen lassen sich durch Einbindung der Ofenanlagen in ein Lastmanagement- und Energiecontrolling-System reduzieren [6]. Daneben ist die richtige Betriebsweise durch das Bedienpersonal bei wärmetechnischen Anlagen besonders wichtig. Das simple Abschalten von nicht genutzten Geräten oder das Schließen des Ofendeckels nach dem Chargieren führt zu erheblichen Energieeinsparungen von bis zu 20 %. Viele Elektrowärmeanlagen werden über Frequenzumformer an das Versorgungsnetz angeschlossen. Dabei werden Frequenzen von wenigen Hundert Hertz (Induktions-Schmelzöfen) über einige bis einige Hundert Kilohertz (Induktions-Durcherwärmungsanlagen und -Oberflächenhärteanlagen) bis hin zum Mega-Hertz-Bereich (Kristallzüchtungsanlagen) verwendet. Der Einsatz moderner Frequenzumrichter bei der Versorgung von Mittel- und Hochfrequenz-Induktionsanlagen führt zum Teil zu erheblichen Energieeinsparungen und zusätzlich zu einer Verbesserung der Prozesskontrolle.

32 34 Einleitung Ein besonders elektroenergieintensiver Prozess ist die Herstellung von Elektrostahl im Lichtbogenofen, wobei sich durch verschiedene Maßnahmen der spezifische Einsatz elektrischer Energie reduzieren lässt. Hierzu gehören die Zufuhr von fossilen Brennstoffen, die energetische Prozessoptimierung durch Reduzierung der Rauchgasverluste, die Energierückgewinnung durch Schrottvorwärmung sowie die Prozessdampferzeugung und Heizenergieauskopplung. Hierdurch lassen sich technische Einsparpotenziale von bis zu 30 % realisieren, wobei aus wirtschaftlicher Sicht bis zu 15 % gegenwärtig umsetzbar sind [7, 8]. II. Substitution oder Ergänzung konventioneller thermischer Prozesse und Anlagen Grundsätzliche Umstellungen von Produktionsprozessen sind ein zentraler Ansatzpunkt zur Optimierung der Energieeffizienz in der thermischen Prozesstechnik. Dies schließt insbesondere auch die Substitution des Endenergieträgers mit ein, d. h. Brennstoffe durch Strom oder umgekehrt, wobei auch Verminderungen des Primärenergieeinsatzes und Reduzierung der klimarelevanten Emissionen möglich sind. Auch die geeignete Kombination unterschiedlicher thermischer Verfahren in Form von Hybridanlagen führt oftmals zu erheblichen energetischen Einsparungen [9]. Für das Recycling von Aluminiumschrott werden verbreitet große gasbeheizte Schmelzöfen mit Fassungsvermögen von bis zu 120 t eingesetzt. Da die Brennflammen direkt auf die Schmelzenoberfläche gerichtet sind, führt dies zu hohen Abbrandverlusten und stark inhomogener Temperaturverteilung in der Schmelze, da eine kontinuierliche Durchmischung fehlt. Diese Nachteile können durch den Einsatz eines elektromagnetischen Rührers, der beispielsweise unter dem Schmelzofen angebracht ist, vermieden werden (Bild 5). Der elektromagnetische Rührer bewirkt eine intensive Schmelzenbewegung, die das stückige Einsatzmaterial gut einrührt und eine schnelle Homogenisierung der Schmelze hinsichtlich der Temperaturverteilung und der chemischen Zusammensetzung bewirkt. Hieraus resultieren eine Reduzierung der Schmelzzeit um bis zu 20 %, eine Verringerung der Abbrandverluste um 20 bis 40 % und die Verringerung des spezifischen Energiebedarfs um 10 bis 15 %. In vielen industriellen Prozessen sind Trocknungsvorgänge erforderlich, die heute überwiegend durch Konvektionstrocknung in mit Gas oder elektrisch betriebenen Öfen stattfinden. Hier können gezielt auf das Produkt abgestimmte Trocknungsprozesse, die beispielsweise mit Mikrowellen- oder Infraroterwärmung realisiert werden, erhebliche energetische Einsparungen bringen. Durch den Einsatz dieser direkt wirkenden Trocknungsverfahren kann der spezifische Energiebedarf um durchschnittlich 40 bis 70 % im Vergleich zu konventionellen Umlufttrocknern gesenkt werden [10]. III. Entwicklung und Einführung neuer hocheffizienter Verfahren Auch bei neu zu entwickelnden Prozessen sollte grundsätzlich eine mögliche Kombination von unterschiedlichen Technologien im Hinblick auf eine optimierte Lösung in Betracht gezogen werden. Ein innovatives Beispiel hierfür ist die Lasermaterialbearbeitung, die insbesondere in der Automobilindustrie zunehmend an Bedeutung gewonnen hat. Neue effiziente Anwendungen der Lasermaterialbearbeitung eröffnen sich auch durch die Kombination des Lasers mit der induktiven Erwärmung in einem Prozessschritt (Bild 6). Anwendungen sind das Auftragschweißen von hochlegierten Stählen, das Randschicht umschmelzen hochbeanspruchter Bauteile und das Verschweißen von Blechen aus hochlegierten Stählen. Die hohe Prozessgeschwindigkeit des Lasers in Kombination mit der konzentrierten hohen Leistungsübertragung bei der induktiven Erwärmung führen insgesamt zu einem hocheffizienten und wirtschaftlichen Prozess [11]. Die Nutzung von energetischen Einsparpotenzialen kann bei vielen industriellen thermischen Prozessen durch die Verkürzung von Prozesslinien und Einsparung von Prozessschritten erfolgen. Die Herstellung endabmessungsnaher Halbzeuge und Produkte in nur wenigen Prozessschritten führt zu

33 Energieeffizienz in der industriellen Prozesstechnik 35 Energie, Zeit- und Kosteneinsparungen. Ein eindrucksvolles Beispiel hierfür ist die kontinuierlich weiterentwickelte Prozessverkürzung bei der Warmbandherstellung. In den letzten Jahren wurden große Anstrengungen unternommen, um die endabmessungsnahe Herstellung von Flachprodukten industriell umzusetzen. Bandgießanlagen, die bereits in Pilotanlagen realisiert sind, ermöglichen das direkte Gießen von Blechen im Millimeterbereich, sodass nur wenige Walzprozessschritte erforderlich sind. Hierbei bekommen der Einsatz von Elektroprozesswärme und insbesondere die elektromagnetische Prozessbeeinflussung einen besonderen Stellenwert. Beispielsweise können nur induktive Verfahren das elektromagnetische Rühren, Bremsen, Reinigen oder berührungslose Abstützen der Schmelze während des Gießvorgangs bewirken. Auch die gezielte Einstellung der Temperaturverteilung im Band vor dem Einlaufen in das Fertiggerüst ist aufgrund gegebener Platzverhältnisse, der hohen Gießgeschwindigkeiten, der wechselnden Bandbreiten und Banddicken und insbesondere der geforderten Temperaturverteilungen über der Bandbreite oftmals nur durch eine Induktionserwärmungsanlage optimal möglich. Bei dünnen Bändern im Millimeterbereich bietet hier die induktive Querfeld-Erwärmung Möglichkeiten zur optimalen Anpassung des Erwärmungsprozesses. EMS: Electro-Magnetic Stirring Bild 5: Hybrid-Technologie: Elektromagnetischer Rührer im gasbeheizten Aluminiumschmelzofen (Quelle: ABP Induction Systems) Bild 6: Induktiv unterstützte Lasermaterialbearbeitung So kann beispielsweise die Temperaturverteilung über der Bandbreite gezielt eingestellt werden, um eine Bandkantenüberhitzung, eine homogene Temperaturverteilung oder eine Bandkantenunterkühlung zu realisieren [12]. Eine herausfordernde Entwicklung ist der Einsatz von supraleitenden Induktionsspulen, da bei induktiven Erwärmungs- und Schmelzprozessen die größten Energieverluste von 20 bis 40 % in der Induktionsspule auftreten. In verschiedenen Forschungsprojekten wird der Einsatz von verlustfreien supraleitenden Spulen untersucht [13]. FAZIT Die Bedeutung des Endenergieträgers Strom für thermische Verfahren nimmt zu, insbesondere an hoch entwickelten Industriestandorten in Europa, durch die Forderung nach innovativen Prozessen und hoch-

34 36 Einleitung qualitativen Produkten. Dabei wird der spezifische Energiebedarf, also der Energiebedarf bezogen auf die jeweilige Produktionseinheit, durch hocheffizienten Stromeinsatz in der thermischen Prozesstechnik abnehmen. Die Hersteller von Thermoprozesstechnologien sind die erste Ansprechadresse für Energieeffizienz industrieller thermischer Verfahren und Anlagen. Jahrelange Entwicklung und Erfahrung im Bau von Neuanlagen, in der Sanierung und dem Umbau von Altanlagen und der Integration von Thermoprozessanlagen in die Fertigung liefern das Rüstzeug zur kompetenten Beratung. Die zukünftige Aufgabe der Entwickler und Hersteller von Thermoprozessanlagen besteht aber vor allem darin, entsprechend den unterschiedlichen Problemstellungen, jeweils die optimale Anlage für einen speziellen Prozess zu liefern. Dabei muss die Erwärmungs- oder Schmelzanlage nicht als Einzelaggregat betrachtet, sondern bezüglich Materialtransport, Wärmeverbund, Automation usw. in die Gesamtanlage und in den Gesamtprozess optimal integriert werden. Die Mitglieder des Fachverbandes Thermoprozesstechnik im Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau (VDMA) haben einen Leitfaden erstellt, in dem Energieeffizienzsteigerungs-Maßnahmen vorgeschlagen werden ( Fragen Sie hierzu Ihren Ofenbauer. Literatur [1] Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (Hrsg.): Arbeitsgemeinschaft für Energiebilanzen. Endenergieverbrauch nach Anwendungsbereichen im Jahr 2013 [2] Richtlinie 2006/32/EG des Europäischen Parlaments und des Rates vom 5. April 2006 über Endenergieeffizienz und Energiedienstleistungen [3] Richtlinie 2009/125/EG des Europäischen Parlaments und des Rates vom 21. Oktober 2009 zur Schaffung eines Rahmens für die Festlegung von Anforderungen an die umweltgerechte Gestaltung energieverbrauchsrelevanter Produkte [4] Jasper, R.: Möglichkeiten der Energieeinsparung an Thermoprozessanlagen. Gaswärme International 56 (2007) 4, S. 279 [5] Baake, E.: Einsparpotenzial beim Schmelzen von Metallen. Giesserei Erfahrungsaustausch (2008) 6, S [6] Behrens, T.; Baake, E.: Kostenreduzierung durch betriebliches Lastmanagement in einer Gießerei. elektrowärme international 60 (2002) 3, S [7] Starck, A. v.; Mühlbauer, A.; Kramer, C. (Hrsg.): Praxishandbuch Thermprozess-Technik, Band II Prozesse, Komponenten, Sicherheit. Vulkan-Verlag Essen 2003, S [8] Energieagentur NRW (Hrsg.): Energieverschwendung? Handbuch zum rationellen Einsatz von elektrischer Energie. Klartext-Verlag Essen 2000, S [9] Baake, E.: Neue Marktchancen durch innovativen Stromeinsatz im Prozesswärmebereich. elektrowärme international 63 (2005) 1, S [10] Möller, M.; Linn, H.: Innovative Mikrowellenerwärmung: Schmelzen und Erstarren von Metallen, Erwärmen und Trocknen von Feuerfestmaterialien. elektrowärme international, 65 (2007) 3, S [11] Schülbe, H.; Mach, M.; Nacke, B.: Induktive Unterstützung von Schweißprozessen. elektrowärme international 65 (2007) 3, S [12] Schülbe, H.; Nikanorov, A.; Nacke, B.: Flexible Anlagen zur Erwärmung dünner Bänder im induktiven Querfeld. elektrowärme international 62 (2004) 2, S [13] Ulferts, A.; Nacke, B.: Aluheat - A Superconducting Approach of Aluminium Billet Heater. Proceedings of the International Scientific Colloquium Modelling for Electromagnetic Processing. Hannover, Oct , 2008, p

35 Fachberichte Teil 1 Energieeffizienz gasbeheizter Thermoprozesse Zeitschrift für gasbeheizte Thermoprozesse

36 Jetzt bestellen! Handbuch der Brennertechnik für Industrieöfen Grundlagen Brennertechniken Anwendungen Die zweite Auflage dieses Werks erscheint farbig illustriert und wurde umfassend überarbeitet, um den aktuellen Stand der Technik wiederzugeben. Die Leser bekommen einen detaillierten Überblick über theoretische Grundlagen, Feuerungskonzepte, Schadstoffbildung, Wärmerückgewinnung und wesentliche Bauarten. Für jeden, der beruflich mit der Befeuerung von Industrieöfen zu tun hat, ist dieses Buch mit seiner Informationsfülle ein unersetzliches Nachschlagewerk. Hrsg.: Joachim G. Wünning, Ambrogio Milani, 2. Auflage 2011, 286 Seiten, Hardcover Buch + Zusatzmaterial (CD-ROM) ISBN: Preis: 100,- Buch + ebook (DVD) ISBN: Preis: 140,- Bestellen Sie jetzt unter: Tel.: Fax: bestellung@vulkan-verlag.de WISSEN FÜR DIE ZUKUNFT

37 Effiziente Gasbeheizung von Industrieöfen 39 Effiziente Gasbeheizung von Industrieöfen von Joachim G. Wünning Die saubere, effiziente und wirtschaftliche Beheizung von Industrieöfen kann durch verschiedene Maßnahmen erreicht und verbessert werden. Zunächst werden Gas- und Elektrobeheizung verglichen. Anschließend werden die Möglichkeiten zur Verringerung der Abgasverluste aufgezeigt. Diese liegen im Wesentlichen bei der Ofenkonstruktion und der Verbrennungsluftvorwärmung. Die Sekundärnutzung der Abgaswärme ist oft unwirtschaftlich und sollte erst in Betracht gezogen werden, nachdem das Potenzial der anderen Maßnahmen ausgeschöpft wurde. In Industrieöfen werden verschiedenste Produkte erwärmt oder wärmebehandelt. Einerseits wird dafür Energie benötigt, andererseits werden durch die Wärmebehandlung zum Beispiel höhere Festigkeiten von Werkstoffen erzielt und eine Gewichtsreduzierung von Bauteilen wird möglich. Die somit erreichte Materialeinsparung kompensiert die für die Wärmebehandlung aufgewendete Energie oftmals um ein Vielfaches. Werden solche Bauteile im Automobilbau eingesetzt, ermöglichen sie durch die Gewichtsreduzierung der Fahrzeuge noch mal eine erhebliche Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs. Als Beispiel sind hochfeste Karosseriebleche oder pressgehärtete Teile zu nennen, die zunehmend eingesetzt werden. Industrieöfen sind somit unverzichtbar, um sich den Herausforderungen der kommenden Jahrzehnte zu stellen. Diese Industrieöfen möglichst effizient und schadstoffarm zu beheizen, ist dabei eine wichtige Aufgabe. Die zur Beheizung der Industrieöfen notwendige Energie wird zum überwiegenden Teil durch Brenngase, meist als Erdgas, oder in Form von elektrischer Energie bereitgestellt. Nur in Ausnahmefällen kommen feste oder flüssige Brennstoffe zum Einsatz. VERGLEICH VON BRENNSTOFF- UND ELEKTRISCHER BEHEIZUNG Einen Vergleich verschiedener Beheizungssysteme zeigt Tabelle 1, wobei angenommen wird, dass jeweils eine bestimmte Heizenergie dem Ofen zur Verfügung gestellt wird. Die im Falle der Gasbeheizung anfallenden temperaturabhängigen Abgasverluste sind für eine Abgastemperatur von C dargestellt. Diese Abgastemperatur bezieht sich auf das Abgas, dass den Ofen verlässt, bevor es in einen Wärmetauscher geleitet wird. Im Falle einer Gasbeheizung ohne Luftvorwärmung oder sonstige Abgasnutzung beträgt der Abgasverlust etwa 50 %. Das heißt, dass etwa die Hälfte der in Form von Erdgas zur Verfügung gestellten Energie den Industrieofen ungenutzt durch den Schornstein verlässt. Der notwendige normierte Primärenergieeinsatz ist somit 2, ebenso wie die normierten CO 2 -Emissionen (normiert auf verlustfreie Erdgasbeheizung). Werden die Abgase in einem Wärmetauscher genutzt, um die Verbrennungsluft vorzuwärmen, verringern sich die Abgasverluste. Typische Werte heute üblicher Luftvorwärmer liegen bei etwa 500 C Verbrennungslufttemperatur und daraus resultiert eine Abkühlung der Abgase von auf etwa 600 C. Die

38 40 Energieeffizienz gasbeheizter Thermoprozesse Tabelle 1: Vergleich verschiedener Beheizungskonzepte Beheizungsart Erdgas ohne Luvo Erdgas mit Luvo Erdgas mit opt. Luvo Erdgas mit O 2 *** Abgasverlust im Ofen * 50 % 30 % 15 % 15 % - Elektro Verluste im Kraftwerk % 58 % Primärenergieeinsatz ** (normiert) 2 1,4 1,2 1,3 2,4 CO 2 -Emissionen (normiert) 2 1,4 1,2 1,4 2,6 * bei C Prozesstemperatur ** Energiemix Kraftwerke in Deutschland (Quelle: BMWi) *** Für O 2 -Erzeugung 0,5 kwh el /m 3 Abgasverluste betragen somit nur noch etwa 30 %. Normierter Primärenergieeinsatz und CO 2 -Emissionen reduzieren sich auf einen Wert von 1,4. Mit jetzt verfügbaren optimierten Wärmetauschern lassen sich die Abgasverluste nochmals halbieren, indem die Verbrennungsluft bis auf 850 C vorgewärmt wird und sich eine Abgastemperatur von nur noch ca. 300 C einstellt. Solche Werte können durch regenerative oder spezielle rekuperative Wärmetauscher erreicht werden. Die Werte für den normierten Primärenergieeinsatz und CO 2 -Emissionen liegen bei einem Wert von nur noch 1,2. Oftmals wird der Einsatz von reinem Sauerstoff als effizienzverbessernde Maßnahme vorgeschlagen. Tatsächlich können die Abgasverluste durch die Eliminierung des Stickstoffs gemindert werden, es ist aber zu beachten, dass für die Sauerstoffherstellung Energie aufgewendet werden muss. Wird berücksichtigt, dass mit heute im Einsatz befindlichen Verfahren zur Sauerstoffherstellung etwa 0,5 kwh el je Kubikmeter Sauerstoff aufgewendet werden müssen [1], wird deutlich, dass die Einsparung an Primärenergie am Ofen durch den notwendigen Primärenergieeinsatz im Kraftwerk weitgehend kompensiert wird. Wenn zu entwickelnde Verfahren in der Zukunft Sauerstoff mit geringem Energieeinsatz bereitstellen können, muss die Situation neu betrachtet werden. Die höchsten Werte hinsichtlich Primärenergieeinsatz und CO 2 -Emissionen und auch Energiekosten ergeben sich bei der elektrischen Beheizung selbst dann, wenn im Ofen eine verlustfreie Beheizung angenommen wird. Der Grund dafür liegt in den hohen Verlusten, die in den Kraftwerken anfallen. Obwohl im deutschen Kraftwerksmix regenerative Stromerzeugung sowie Kernkraftwerke berücksichtigt sind, fallen auch die CO 2 -Emissionen deutlich höher aus. Ein Vergleich von Gasbeheizung mit in Kernkraftwerken erzeugter elektrischer Energie hinsichtlich der Beeinflussung unserer Umwelt ist problematisch, da hier die Risiken radioaktiver Verseuchung gegenüber den Problemen aus dem Verbrennen fossiler Brennstoffe abgewogen werden müssen. In den kommenden Jahrzehnten wird noch ein bedeutender Anteil der elektrischen Energie aus fossilen Brennstoffen gewonnen. Solange dies der Fall ist, stellt eine Gasbeheizung die effizienteste und ressourcenschonendste Art dar, Industrieöfen zu beheizen. WÄRMEÜBERTRAGUNG IM BRENNSTOFFBEHEIZTEN OFEN Im brennstoffbeheizten Industrieofen wird die Wärme der Verbrennungsgase auf das Produkt übertragen. Bei der direkten Beheizung erwärmen die Verbrennungsgase das Produkt sowie die Ofenwände durch Konvektion und Gasstrahlung (Bild 1). Die Ofenwände stehen im Festkörper-Strahlungsaustausch mit dem

39 Effiziente Gasbeheizung von Industrieöfen 41 Produkt. Je höher die Ofentemperatur, umso höher wird der Anteil der durch Strahlung übertragenen Energie. Im Ofen kann die Abgastemperatur nur bis auf die Produkttemperatur abgekühlt werden. Je höher die Herdflächenbelastung (Wärmestromdichte bezogen auf die Herdfläche in kw/m 2 ) ist, umso höher ist die Temperatur, mit der die Verbrennungsgase den Ofenraum verlassen. In Durchlauföfen kann die Abgastemperatur abgesenkt werden, indem die Verbrennungsgase entgegen der Transportrichtung des Produktes strömt (Bild 2). Da aber die übertragene Energie bei tieferen Temperaturen wegen Bild 1: Wärmeübertragung im Ofen des nachlassenden Anteils der Strahlung immer geringer wird, gibt es hier wirtschaftliche Grenzen für die Länge der unbeheizten Vorheizzone (Zone 0). Eine weitere Möglichkeit, Energie vom Abgas auf das Produkt zu übertragen besteht darin, Abgas mit Gebläsen zu verdichten und auf das Produkt zu blasen, um es vorzuwärmen. Das Abgas kann vor oder nach dem Wärmetauscher für die Verbrennungsluftvorwärmung entnommen werden, je nach zulässiger Temperaturgrenze des Verdichters. Durch geeignete Strömungsbedingungen lässt sich eine Erhöhung des konvektiven Wärmeüberganges erreichen und auch bei niedrigeren Temperaturen oder bei Produkten mit niedrigem Emissionsgrad auf vertretbarer Fläche Energie übertragen. Die notwendige elektrische Leistung für den Betrieb ist jedoch nicht unerheblich und muss bei einer Wirtschaftlichkeitsbetrachtung neben den Investitionskosten berücksichtigt werden. Bei der indirekten Beheizung durch Strahlheizrohre liegt die Abgastemperatur meist deutlich über der Ofentemperatur. Bild 3 zeigt dabei beispielhaft den Zusammenhang zwischen Ofenraumtemperatur, der Abstrahlleistung in Bezug auf die effektive Stahlheizrohrfläche und die Abgastemperatur. Dabei wird deutlich, Bild 2: Abgasführung im Durchlaufofen

40 42 Energieeffizienz gasbeheizter Thermoprozesse dass man sich den Vorteil höherer Abstrahlleistung durch höhere Abgastemperaturen im Strahlheizrohr erkauft. Es gibt mehrere Gründe, warum die Durchmesser nicht zu klein gewählt werden sollten. Längen- zu Durchmesserverhältnisse von kleiner als 10 haben sich als günstig erwiesen. Dies entspricht bei typischen Strahlrohrlängen einem Strahlrohrdurchmesser von 200 mm und größer. Die größeren Durchmesser bieten neben dem Vorteil größerer Abstrahlfläche auch günstigere Strömungsbedingungen, zum Beispiel für die flammlose Oxidation und somit minimalen NO X -Emissionen. Bild 3: Abgastemperaturen bei Strahlrohrbeheizung VERBRENNUNGSLUFTVORWÄRMUNG Wenn hohe Abgastemperaturen anfallen, was bei vielen Prozessen unvermeidlich ist, bietet sich die Verbrennungsluftvorwärmung als Maßnahme zur Steigerung der Energieeffizienz an. Der große Vorteil dieser Form der Abwärmenutzung liegt darin, dass Bereitstellung von Abgas und Energiebedarf für die Verbrennungsluftvorwärmung immer exakt zeitgleich vorliegen. So kann es wirtschaftlich sinnvoll sein, im kompakten Ofen höhere Abgastemperaturen in Kauf zu nehmen und die im Abgas enthaltene Energie durch Verbrennungsluftvorwärmung zurückzugewinnen. Früher gab es Bedenken wegen der höheren Verbrennungstemperaturen und der damit ansteigenden thermischen NO X -Bildung. Durch die Anwendung NO X -mindernder Maßnahmen wie der Stufenverbrennung oder der flammlosen Oxidation lässt sich jedoch die Schadstoffbildung auch bei sehr hohen Verbrennungslufttemperaturen wirksam unterdrücken. Bei großen Wärmöfen und Schmelzöfen mit Brennern hoher Leistung von mehreren Megawatt je Brenner bieten sich große Zentralrekuperatoren an. Regeneratorbrenner, die zunehmend eingesetzt werden, bieten hier noch ein großes Einsparpotenzial. In Wärmebehandlungsöfen, bei denen wegen der hohen Ansprüche an die Temperaturgenauigkeit eine große Anzahl von Brennern eingesetzt wird, kommen häufig Brenner mit integriertem Luftvorwärmer zum Einsatz. Die erreichbaren Luftvorwärmtemperaturen hängen im Wesentlichen von der bereitgestellten Wärmetauscherfläche des Brenners ab. Brenner hoher Leistung mit einfachen Wärmetauschern können die Abgaswärme nicht wirkungsvoll für die Verbrennungsluftvorwärmung nutzen. Auch bei einer Beheizung durch Strahlheizrohre bietet sich die dezentrale Luftvorwärmung an [2]. Seit vielen Jahren werden hier Rekuperatorbrenner eingesetzt. Wie es der Name andeutet, sind bei diesem Brennertyp der Brenner und ein Rekuperator zu einer Baueinheit zusammengefasst. Der Rekuperator ist dabei zumeist als Rippenrekuperator ausgeführt. In der Vergangenheit stand die Leistungssteigerung der Strahlheizrohre im Vordergrund. Ohne eine Verbesserung der Wärmetauscher für die Luftvorwärmung nimmt dabei aber die Energieeffizienz solcher Systeme ab. In den letzten Jahren ist es gelungen, durch

41 Effiziente Gasbeheizung von Industrieöfen 43 regenerative und neue rekuperative (Bild 4) Wärmetauscher mit einem Vielfachen der Wärmetauscherfläche die Abgasverluste deutlich zu reduzieren [3]. SEKUNDÄRNUTZUNG DER ABGASWÄRME Abgaswärme, die nicht zur Verbrennungsluftvorwärmung genutzt wird, Bild 4: Spaltstrom-Rekubrenner Rekumat S kann auch zur Beheizung anderer Prozesse, von Gebäuden, zur Warmwassererzeugung, zur Dampferzeugung oder zur Stromerzeugung eingesetzt werden. In vielen Fällen ist die Wirtschaftlichkeit bei den derzeitigen Energiepreisen noch nicht gegeben. Das gilt insbesondere für kleinere diskontinuierlich betriebene Anlagen. Aggregate zur Stromerzeugung aus Abgaswärme wie Stirlingmotoren, Mikrogasturbinen oder ORC-Prozesse befinden sich in oder vor der Markteinführung. Die Kosten für solche Anlagen liegen derzeit noch bei einigen /kw (elektrisch), während die Kosten für Energieeinsparung durch Luftvorwärmung im Bereich einiger zig Euro je eingesparter Kilowattstunde liegen. Es erscheint also sinnvoll, vor einer Sekundärnutzung der Abgaswärme, zunächst alle Einsparpotenziale durch die direkte Nutzung der Abwärme im Prozess und für die Luftvorwärmung auszuschöpfen. FAZIT In den kommenden Jahrzehnten werden die Ansprüche an die Energieeffizienz von Industrieöfen deutlich steigen. In der Optimierung von Industrieöfen, einer Umstellung von Elektro- auf Gasbeheizung und insbesondere bei der Verbesserung der Verbrennungsluftvorwärmung, liegt noch ein erhebliches Potenzial zur Steigerung der Energieeffizienz. Hierbei gilt es vor allem, die Kosten im Auge zu behalten, sodass sich nicht nur für die Umwelt Vorteile ergeben, sondern gleichzeitig die Wirtschaftlichkeit gegeben ist. Damit wird erreicht, dass die Industrie bei steigenden Rohstoffpreisen ihre Konkurrenzfähigkeit steigert. Literatur [1] Pfeifer, H.; Högner, W.; Frederikson, P.; von Scheele, J. und Paul, R.: Energieeffizienz und Minderung des CO 2 - Ausstoßes durch Sauerstoffverbrennung, Stahl und Eisen, 129 (2009) Heft 8, S [2] Wünning, J.; Milani, A.: Handbuch der Brennertechnik für Industrieöfen, Vulkan-Verlag, 2007 [3] Wünning J.: Verringerung der Abgasverluste und Emissionen durch neue Rekuperator und Regeneratorbrenner, Gaswärme International (58) Nr. 6/2009, S Veröffentlicht in: gwi gaswärme international Heft 01-02/2011 Seite 25-28

42 44 Energieeffizienz gasbeheizter Thermoprozesse Energieeffiziente Ofenbeheizung Regenerative Wärmerückgewinnung mit Flachflammenbrennern von Sabine von Gersum, Wolfgang Adler, Wolfgang Bender Der Einsatz thermischer Regeneratoren führt an Industrieöfen zu hohen Brennstoffeinsparungen und ermöglicht die Substitution hochwertiger Energieträger wie Erdgas durch niederkalorige Prozess- und Biogase. Des Weiteren werden zur Erreichung einer gewünschten Beheizungsqualität häufig Flachflammenbrenner gefordert. Es wurde daher ein neuartiges Beheizungssystem aus Rohrregenerator und Flachflammenbrenner (ROREBS) entwickelt. Das System wurde zunächst systematisch experimentell und mittels numerischer Simulationsrechnungen untersucht und dann mit großem Erfolg betrieblich erprobt. Sowohl mit Erdgas als auch mit hüttentechnischen Prozessgasen wurden Brennstoffeinsparungen von % gegenüber heute üblichen Systemen nachgewiesen. Zusätzlich zeichnet sich das gesamte System durch einen geringen Strömungswiderstand aus, der Druckverlust beträgt ca. 15 mbar bei Volllast. I n Hochtemperaturprozessanlagen geht über das mit hoher Temperatur austretende Abgas ein wesentlicher Teil der eingebrachten Energie dem Prozess verloren. Ein Ansatz zur Minimierung dieser Verluste ist, mit einer effizienten Wärmerückgewinnung die im Abgasstrom noch vorhandene Wärme zur Brennmedienvorwärmung einzusetzen. Bei einer Feuerung mit Erdgas stellt die Brennluft ca. 90 % des eintretenden Gasmassenstromes. Hier ist eine Brennluftvorwärmung sinnvoll. Je niedriger der Luftbedarf des Brenngases ist, desto weniger Wärme kann so über die Brennluft in den Prozess zurückgeführt werden. Werden Schwachgase wie beispielsweise Hochofengas eingesetzt, so ist zusätzlich eine Vorwärmung des Brenngases mit ausgekoppelter Abgaswärme sinnvoll. Die heute üblichen Zentralrekuperatoren sind vorwiegend aus dem Werkstoff Stahl gefertigt. Das Abgas der Hochtemperaturprozessanlage verlässt das Ofengefäß mit einer Prozesstemperatur von mehr als C. Da die zulässige Materialtemperatur im Rekuperator deutlich unter dieser Temperatur liegt, wird das heiße Abgas vor Eintritt in den Rekuperator mit Kühlluft gemischt, das große Potenzial der Abgaswärme wird nicht effizient genutzt. Ein Großteil der im Abgasstrom enthaltenen Wärmeenergie geht dem Prozess somit verloren. In Bild 1 ist das Einsparpotenzial eines erdgasbefeuerten Chargenofens bei einer Abgastemperatur von C für verschiedene Wärmerückgewinnungstechniken beispielhaft dargestellt. Um einen Wärmestrom von 1 MW in das Nutzgut zu erhalten, müssen bei einem Ofen ohne Wärmerückgewinnung rd. 3 MW über das Brenngas zugeführt werden, bei rekuperativer Wärmerückgewinnung rd. 2,2 MW und bei regenerativer Wärmerückgewinnung rd. 1,5 MW. Für den Fall der Umrüstung eines Ofens von rekuperativer auf regenerative Wärmerückgewinnung ist demnach eine Einsparung von bis zu 30 % möglich.

43 Energieeffiziente Ofenbeheizung Regenerative Wärmerückgewinnung mit Flachflammenbrennern 45 Bild 1: Einsparpotenzial durch Brennluftvorwärmung mittels Wärmerückgewinnung In Wärmöfen von Schmiede- und Walzwerken wird beispielsweise Nutzgut auf ca C erwärmt. Die Jahresproduktion eines Schmiedewerkes mittlerer Größe liegt in der Größenanordnung von rd t. Bei einem typischen spezifischen Energiebedarf der Schmiedeöfen zwischen 2,0-4,0 GJ/t ergibt sich ein Energieverbrauch von rd GJ/a (Tabelle 1), verbunden mit den entsprechenden Brennstoffkosten. Bei großen Walzwerksöfen werden so Brennstoffkosten von mehreren Mio. pro Jahr erreicht. An diesen Anlagen ist ein erhebliches Einsparpotenzial vorhanden. Die Wärmerückgewinnung mittels thermischer Regeneratoren ist in vielen Industriezweigen seit Langem bekannt. Sie stellt keine grundlegend neue Technologie dar. Die Bereitschaft zur Umsetzung dieser Technik in Zweigen wie der Schmiede- und Walzwerkstechnik war bisher gering. Die Kapitalrückflusszeit wird als zu hoch angesehen. Bis vor wenigen Jahren waren keine geeigneten Brenner verfügbar, da die extrem hohe Brennmedienvorwärmung zu erhöhtem NO X -Ausstoß führte und die Standfestigkeit nicht geklärt war. In jüngster Zeit haben die stark gestiegenen Energiepreise die Wirtschaftlichkeit für Regeneratorsysteme entscheidend verbessert. Betriebliche Erprobungen haben gezeigt, dass die NO X -Problematik nach den vorliegenden Erkenntnissen lösbar ist und eine zufriedenstellende Standfestigkeit der eingesetzten Komponenten erreicht wird. Tabelle 1: Brennstoffzusammensetzung von vergasten 50 Ma.-% HTK/50 Ma.-% Holzspäne Schmiedebetrieb Walzwerk Produktion t/a Spezifischer Energiebedarf GJ/t 2,0-4,0 1,4-1,8 Energieverbrauch GJ/a Brennstoffkosten /GJ Energiekosten /a

44 46 Energieeffizienz gasbeheizter Thermoprozesse ENTWICKLUNG EINES NEUEN BEHEIZUNGSSYSTEMS (ROREBS) FÜR WÄRMÖFEN Zur qualitativ hochwertigen Beheizung von Nutzgütern werden von den Ofenbetreibern häufig Flachflammenbrenner gefordert. Die zurzeit verfügbaren Flachflammenbrenner sind mit Einbauten zur Drallerzeugung versehen. Diese bewirken einen hohen Druckverlust. Bei einer üblichen Brennluftvorwärmung mittels eines Zentralrekuperators fällt nur über den Brenner bereits ein Druckverlust von über 50 mbar an. Bei einer effizienten regenerativen Brennluftvorwärmung würde dieser Wert etwa verdoppelt werden. Die Investitions- und Betriebskosten für die dafür nötigen Brennluftgebläse steigen entsprechend. Des Weiteren sind die eingesetzten Einbauten zur Drallerzeugung in der Regel bei der hohen Temperaturbeanspruchung in einem regenerativen System nicht standfest. Daher waren bisher keine Flachflammenbrenner für einen Einsatz mit thermischen Regeneratoren verfügbar. Es wurde ein neuer Flachflammenbrenner entwickelt, konstruiert und betrieblich getestet, der auf Einbauten zur Drallerzeugung verzichtet. Zusammen mit einem kompakten Regenerator wurde ein neues Regenerator-Brenner-System (ROREBS) geschaffen, das die Vorteile einer regenerativen Brennluftvorwärmung mit der Technik des Flachflammenbrenners verbindet. Der Flachflammenbrenner besteht im Inneren aus temperaturfesten keramischen Materialien. Auf den Einsatz von Kühl- und Spülluft kann daher verzichtet werden. Der Druckverlust des Brenners beträgt bei einer Luftvorwärmung von C ca. 10 mbar. Daher wurde der Brenner mit einem kompakten Rohrregenerator kombiniert, der durch seinen Besatz aus Wabenkörpern einen sehr geringen Druckverlust von wenigen mbar aufweist. Dieses neue System ROREBS wurde an Prüfständen getestet, mittels numerischer Simulationsrechnungen (CFD) optimiert und an Wärmöfen von Schmiedewerken mit den Brenngasen Erdgas, Koksofengas und Konvertergas betrieblich erprobt. BETRIEBLICHE ERPROBUNG DES ROREBS AN WÄRMÖFEN VON SCHMIEDEBETRIEBEN Ein Kammerofen und mehrere Herdwagenöfen wurden mit ROREBS ausgestattet. Einer dieser Öfen kann wahlweise mit Koksofengas und Konvertergas betrieben werde. Die anderen Öfen werden mit Erdgas betrieben. Diese Brenngase unterscheiden sich grundlegend in Heizwert und Luftbedarf (Tabelle 2). Ein mit acht ROREBS ausgestatteter Schmiedeofen ist in Bild 2 schematisch dargestellt. Jeder Brenner hat einen eigenen Regenerator. Das Abgas wird aus dem Ofen über die Brenner und Regeneratoren abgesaugt. Die Systeme werden taktend betrieben. Während ein Teil der Regeneratoren die Brennluft vorwärmt, wird das Abgas über andere Regeneratoren abgesaugt. Das Laden und Entladen der Regeneratoren verläuft im Gegentakt. Ein Beheizungssystem bestehend aus Regenerator und Flachflammenbrenner ist in Bild 3 im Detail dargestellt. Heißes Abgas wird vom Ofenraum über den Brenner zum Wärmespeicher geführt. Dort gibt das Abgas den Großteil seiner Wärme ab und verlässt den Regenerator am unteren Ende mit ca. 300 C. Im Gegentakt wird die Abgasabsaugung abgeschaltet und am Regeneratorfuß tritt nun kalte Brennluft Tabelle 2: Brennstoffzusammensetzung von vergasten Holzspänen Erdgas Koksofengas Konvertergas Heizwert 31,7 Mj/m 3 17,7 Mj/m 3 9,2 Mj/m 3 min. Luftbedarf (λ=1,0) 8,4 4,7 1,7 ein. Diese wird durch den Wärmespeicher geleitet und auf ca C aufgeheizt. Als Wärmespeicher dienen keramische Wabenkörper. Die heiße Brennluft wird im direkten Anschluss in den Brenner geleitet.

45 Energieeffiziente Ofenbeheizung Regenerative Wärmerückgewinnung mit Flachflammenbrennern 47 Der Brenner ist so gestaltet, dass durch die Art der Luftzuführung ein Drall entsteht, der stark genug ist eine Flachflamme am anschließenden Brennerstein auszubilden. Für die Führung der Brennluft sind keine Einbauten erforderlich. Dadurch weist dieser Brenner einen geringen Druckverlust auf und neigt nicht zu strömungsbedingtem Verschleiß. Die Abgastemperatur wird am Regeneratorfuß gemessen. Bei Überschreitung eines Grenzwertes wird zur Schadensvermeidung die Absaugung von Abgas unterbrochen und eine thermische Überlastung nachgeschalteter Anlagenteile verhindert. Optional kann zusätzlich zwischen Regenerator und Brenner über ein Thermoelement die Brennlufttemperatur vor Brenner erfasst werden. Beispielhaft ist in Bild 4 ein erdgasbefeuerter Herdwagenschmiedeofen mit ROREBS dargestellt, an dem pro Ofenseite fünf Systeme mit jeweils 300 kw Brenngasanschlussleistung installiert wurden. Die neue Beheizungstechnik ist an diesem Ofen seit ca. vier Jahren in Betrieb. Bei ausgeglichenem Ofen und einer Betriebstemperatur von 700 C wird dort die Brennluft auf 500 bis 550 C vorgewärmt. Bei einer Ofentemperatur von C erreicht die Brennlufttemperatur Werte zwischen und C. In diesem Bereich wird der Ofen mit maximaler Leistung betrieben. In der anschließenden Ausgleichsphase fällt die Ofenleistung bis auf ca. 20 bis 30 % des Anschlusswertes ab. Konventionelle Beheizungstechniken sinken hier deutlich im Wirkungsgrad. Mit dem neuen Beheizungssystem kann die Brennlufttemperatur nahezu konstant auf C gehalten werden. Erzielte Brenngaseinsparungen sind beim Betrieb eines Schmiedekammerofens mit vier ROREBS pro Ofenseite Bild 2: Schema für eine effektive Umsetzung an einem Wärmofen Bild 3: Neue Beheizungstechnik mit Regenerator und Flachflammenbrenner Bild 4: Neue Flachflammenbrenner in einem Herdwagenofen

46 48 Energieeffizienz gasbeheizter Thermoprozesse Bild 5: Erzielte Brenngaseinsparung an einem Wärmofen einer Schmiede detailliert gemessen worden. Dieser Ofen ist seit über fünf Jahren in Betrieb. Ein Vergleich mit dem Rekuperatorbetrieb eines ansonsten baugleichen Nachbarofens hat ergeben, dass über einer gesamten Ofenreise mit dem neuen System eine Energieeinsparung von bis zu 30 % erreicht wird (Bild 5). FAZIT Es wurde mit ROREBS ein neues Beheizungssystem für Hochtemperaturprozessanlagen entwickelt, konstruiert und betrieblich erprobt, das die effiziente Abwärmerückgewinnung mittels thermischer Regeneratoren mit den Vorzügen der Brennerbauart eines Flachflammenbrenners koppelt. Betrieblich wurden Einsparungen im Brennstoffbedarf (Energiekosten, CO 2 -Emission) von 20 bis 30 % gegenüber heute üblichen Systemen nachgewiesen. Zusätzlich tritt trotz deutlich gesteigerter Brennlufttemperatur ein wesentlich geringerer Druckverlust (Gebläseleistung) bei Einsatz des neuen Systems auf. Die Eignung des Systems sowohl für Erdgas als auch für Prozessgase wurde demonstriert. Die neuartigen Komponenten des ROREBS, Rohrregenerator und Flachflammenbrenner, werden im Detail weiterentwickelt. Sie werden sowohl für den Einsatz an anderen Industriefeuerungen, wie beispielsweise Pfannen- und Walzwerksöfen, als auch für den Betrieb mit alternativen Brennstoffen optimiert. Danksagung Die Autoren bedanken sich an dieser Stelle bei den Industriepartnern G. Grimm Edelstahlwerk GmbH & Co. KG, Kind & Co. Edelstahlwerk GmbH & Co. KG und der Saarstahl AG (Ofenbetreiber), bei Andritz Maerz (Ofenbau) und R. Buchwald (Regenerator- und Brennerbau), für die finanzielle Unterstützung in mehreren Forschungsvorhaben durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie sowie den Projektträger Jülich. Veröffentlicht in: gwi gaswärme international Heft 01-02/2011 Seite 34-37

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