Energieeffizienz durch die und bei der Kunststoffverarbeitung Prof. Dr.-Ing. Michael Koch Nachhaltige Mobilität Wirtschaft trifft Wissenschaft Ilmenau, 2. Juni 2010
Statements 1 Mehr als 50 Volumen% eines KFZ sind heute aus Kunststoff 2 In der Fahrzeugherstellung werden vergleichbare Energiemengen eingesetzt, wie für den Verbrauch im Fahrzeuglebenszyklus 3 Kunststoffe sind DER Energie- und Ressourcen sparende Werkstoff 4 Der Energieeinsatz bei der Verarbeitung von Thermoplasten kann um mehr als 30% gesenkt werden 5 Leichtbau mit Kunststoff- & Hybridbauteilen aus Nachhaltigkeitsgründen 6 Energiemanagement mit Kunststoffen (Speicherung, Isolation) 7 Die Endlichkeit von Kunststoffen als Werkstoff ist nicht erkennbar 2. Juni 2010 Bild 1 Nachhaltige Mobilität
Werkstoffverwendung im KFZ (Golf IV 1,4 / 55 KW) E-Motor & Kabel 1% Glas 4% Leichtmetall 7% Volumenanteile NE Metalle 1% Gummi 9% Lacke 0% Dämmstoffe 10% Sonstige 0% Kunststoffe 44% Stahl & Eisen 24% Gewicht Dichte gr Anteil gr/cm³ cm³ Anteil Stahl & Eisen 634392 63,8% 7,80 81332 24,6% Kunststoffe 167465 16,8% 1,15 145622 44,0% Leichtmetall 51832 5,2% 2,30 22536 6,8% Gummi 44124 4,4% 1,50 29416 8,9% Glas 30095 3,0% 2,50 12038 3,6% E-Motor & Kabel 24944 2,5% 8,00 3118 0,9% NE Metalle 19430 2,0% 9,00 2159 0,7% Dämmstoffe 16260 1,6% 0,50 32520 9,8% Lacke 4156 0,4% 2,50 1662 0,5% Sonstige 2113 0,2% 3,00 704 0,2% Gesamt (*) 994811 100% 331107 100% (*) - ohne Hilfs- und Betriebsstoffe Volumen K & G Anteil von > 60% Quelle: Sachbilanz Golf IV, Volkswagen AG 2. Juni 2010 Bild 2 Nachhaltige Mobilität
Unschärfen in der Bilanzierung des Energieeinsatzes bei der Fahrzeugherstellung Zulieferindustrie nur werkstoffbezogen berücksichtigt Werkstoffverarbeitung fehlt Logistik- und Wertschöpfungsketten bleiben unberücksichtigt Werkstoffherstellung pauschalisiert 2. Juni 2010 Bild 3 Nachhaltige Mobilität
Energieaufwand in der Herstellung: Kunststoff ist ein energie-sparsamer Werkstoff Material Schmelztemperatur [ c ] Glasübergang Schmelze Zersetzung Graphit 3650 Kohlefaser 3650 Diamant 3500 Wolfram 3380 Titancarbid 3100 Platin 1770 Stahl 1300-1520 Kupfer 1083 Gold 1063 Aluminium 650 Zinn 232-33% -76% -33% Polyimid 400 PTFE 130 320 PET 70 250 310 PC 149 267 320 PVC 80 180-215 190-230 PA 50-75 220-260 240-275 PS 90-100 110 PP -20 165 HDPE -125 175 LDPE -125 130 2. Juni 2010 Bild 4 Nachhaltige Mobilität
Warum ist Energieeffizienz für Betriebe der Kunststoffverarbeitung ein Thema? Betrieb 1: 2,5 MW Verbrauch Betrieb 2: 2,1 MW Verbrauch Betrieb 3: 4,2 MW Verbrauch Verpackungsmittelhersteller Eimer, Becher, etc. 30 Maschinen 100 400 to 5000 h Produktionsstunden p.a. Auftragsfertigung Kleinteile Kleinteile EETOP 70 Maschinen 30 150 to 3500 Produktionsstunden p.a. Automobilzulieferer Außenteile, mittel bis groß 35 Maschinen 400 1300 to 5000 Produktionsstunden p.a. 2. Juni 2010 Bild 5 Nachhaltige Mobilität
Vier Einsparpotenziale Verfahrenstechnik Maschinentechnik Energie-Harvesting Wärmerückgewinnung Werkzeug Kühlsysteme (z.b.impulskühlung) Antriebssysteme Energiewandlung Umsetzung der tatsächlich erforderlichen Verarbeitungsenergie: 1. Aufschmelzen 2. Formgebung Maschineneinstellung Formauslegung Prozessführung 3. Wärmegewinnung bei der Abkühlung Wirkungsgrad 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 Hydraulisch Motor Ventile + Rohre + Leitungen 0,88-0,96 0,78-0,95 0,75-0,9 Voll-elektrisch Hydraulikpumpe Hydraulikmotor Zylinder η 1 η 2 η 3 η 4 = η total Hydraulisch Voll-elektrisch Motor 0,88-0,96 0,65-0,9 0,33-0,74 0,9-0,98 Getriebe Riemen+KGT 0,46-0,8 η 1 η 2 = η total 0,91-0,95 0,8-0,91 0,88-0,94 0,77-0,9 Produktionsplanung Betriebspunktorientierte Maschinenbelegung Fabrikbetrieb Kunststoffe sind neue Werkstoffe: Wissen um innovative Technologien 2. Juni 2010 Bild 6 Nachhaltige Mobilität
Leichtbau als Hebel zur Antriebsenergiereduzierung: 100 kg Fahrzeuggewicht kosten 0,4 0,7 ltr./100 km Kraftstoff Quelle: Audi AG 2. Juni 2010 Bild 7 Nachhaltige Mobilität
Aktive Handlungsfelder im Leichtbau Quelle: Audi AG 2. Juni 2010 Bild 8 Nachhaltige Mobilität
Karosserie Leichtbau: Technologien auf Kunststoffbasis: Mehr als der Einsatz leichter Werkstoffe Konzepte (XRIM, RTMV, CPP) Modelle (Stabilität) Chemie (Taktzeiten) Werkzeugsysteme Verfahrens- Prozess- Werkstoff- Produktionstechnologie Hybrid- Materialien Faserverstärkte Duroplaste Werkstoffkonzepte GMT & SMC Thermoplaste LGF & KGF Thermoplaste 2. Juni 2010 Bild 9 Nachhaltige Mobilität
Technologievorsprung im Leichtbau schafft Märkte und Arbeitsplätze 2. Juni 2010 Bild 10 Nachhaltige Mobilität
Neue Mobilitätsquellen erfordern neue Wärmenutzung: Latentwärmespeicher für die Elektromobilität Verteilung des Erfolgspotentials Verbrennungsmotor /Range Extender Reibbremse Elektromotor Batterie (thermisch) Batterie (elektrisch) Getriebe Achsgetriebe Feder-Dämpferelement Bereich des erfolgsversprechenden Potentials Wärmequellen Wärmesenken 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Quelle: Studie TU Ilmenau Quelle: http://allblueprint.blogspot.com/2008/12/bmw-m6-coupe-2007.html 2. Juni 2010 Bild 11 Nachhaltige Mobilität
Kunststoffe lassen sich hervorragend konditionieren: Energiespeicherung als Speicher und Isolator 25 latent Material Wärmeleitfähigkeit [W/mK] 15 Energie 5 Sensible Wärmespeicherung Temperatur sensibel Wärme wird direkt in die Erwärmung eines Materials umgesetzt. Latente Wärmespeicherung Wärme wird für Phasenumwandlungsprozesse genutzt (Kristallisation, chem. Prozesse), die Temperaturerhöhung findet (ideal) erst nach dem Abschluss dieser Prozesse statt. Für Kunststoffe sind damit alle teilkristallinen thermoplastischen Materialien interessant (Paraffine, PE, PP, etc.) Dichte (< 1gr/cm³), Wärmeleitfähigkeit (0,2 W/m K), spez. Wärmekapazität (1-2 J/ g K), Schmelzenthalpie (ca.300 J/ g) Kupfer 370-395 Gold 312 Aluminium 210-230 Wolfram 162 Magnesium 170 Chrom 90 Stahl (ferritisch) 30-60 Titan 22 Stahl (austenitisch) 13-17 Quarzglas 1,4 Glas 0,7-1,1 GFK 0,31-0,44 PET 0,28 PVC 0,19 PA 0,25-0,35 PS 0,17 PP 0,23 HDPE 0,43 LDPE 0,35 PS geschäumt 0,025 Luft 0,05 2. Juni 2010 Bild 12 Nachhaltige Mobilität
Nachhaltige Werkstoffauswahl nachwachsende Ausgangsstoffe Bio Kunststoffe Bio Kunststoffe nicht abbaubar abbaubar konventionelle Kunststoffe Bio Kunststoffe ca.6% heutiger Erdölressourcen werden zu Kunststoffen verarbeitet petrochemisch basierte Ausgangsstoffe 2. Juni 2010 Bild 13 Nachhaltige Mobilität
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