Nachhaltigkeit und Klimaneutralität sind die “Schlagworte der Stunde”, die aus unserer Gesellschaft im Allgemeinen und dem unternehmerischen Handeln im Speziellen nicht mehr wegzudenken sind. Sind doch bereits vor mehr als 50 Jahren durch den “Club of Rome” die Notwendigkeit als auch die Prinzipien eines “nachhaltigen” Lebensweise der Gesellschaften zum Schutz von Ökosysteme und vor allem auch die Grenzen des wirtschaftlichen und produktiven Wachstum aufgezeigt worden, so hat es dieser Zeitspanne bedarf, dass konkrete und rechtlich verbindliche Maßnahmen in unser aller Handeln vorliegen.
Die Wärmebehandlungs- und Härtereibranche muss also nun zügig entsprechende Maßnahmen zur Nachhaltigkeit und Klimaneutralität beim Betrieb von Industrieofenanlagen umsetzen. Die wesentlichen Maßnahmen auf “Ofenseite” sind Wärmedämmung/Isolierung und Beheizungstechnik.
Unter Nachhaltigkeit und/oder Dekarbonisierung wird die Umstellung der Energiewirtschaft mit dem Ziel der Minimierung des Kohlenstoffumsatzes verstanden. Das Langfristziel dabei ist das kohlenstofffreie Wirtschaften und Produzieren im Rahmen der Energiewende. Vorrangig gilt es dabei die Prozesse zu verändern bzw. zu substituieren bei denen Kohlenstoffdioxid freigesetzt wird. Mit Hilfe entsprechender Emissionsminderung soll somit den Anforderungen und gesetzlichen Vorgaben als Maßnahmen zum Klimaschutz und zur Energiewende entsprochen, d.h. die CO2-Neutralität in Prozessen, Produktion und Wirtschaft.
Die derzeitig diskutierten und zum Teil bereits umgesetzten Maßnahmen zur Dekarbonisierung betreffen vor allem den Umstieg und Ausstieg von fossilen Energieträgern auf erneuerbare Energien. In den Bereichen Transport findet die Dekarbonisierung derzeit überwiegen durch die Nutzung von regenerativ erzeugtem Strom und entsprechender elektromobiler Antriebstechnik statt. Für den Bereich der energieintensiven Prozesse der Stahl-, aber auch der Zement-, und Glasproduktion weist eine Studie aus dem Jahr 2019 daraufhin, dass es bis 2050 möglich ist, die Treibhausgasemissionen um 80 bis 95 Prozent gegenüber dem Jahr 1990 zu senken [1]. Nach den Aussagen der Politik und entsprechender wissenschaftlicher Begleitung gehören wir am Wirtschaftsstandort in Deutschland zu den führenden Nationen hinsichtlich der Maßnahmen zur Dekarbonisierung, um das Ziel der Reduktion der weltweiten Treibhausgasemissionen bis 2050 um 40 % bis 70 % im Vergleich zum Jahr 2010 zu reduzieren und die Weltwirtschaft bis 2100 vollständig zu dekarbonisieren [2] – alles mit dem Ziel die CO2-Emissionen soweit zu reduzieren, dass Erderwärmung auf 1,5 Grad Celsius begrenzt wird.
Der Stahlindustrie und mit ihr die Branche der Wärmebehandlung und Härtereitechnik kommt auf dem Weg in eine klimaneutrale Zukunft eine Schlüsselrolle zu, da ein großer Anteil aufgrund der recourcen- und energieintensiven Prozeßketten der industriellen CO2-Emissionen bei der Stahlerzeugung und –veredelung, wie der Wärmebehandlung und Härtereitechnik, entsteht.
Sogenannte „grüne Produktionsverfahren“ sind für die Betriebe der Wärmebehandlungsbranche mit enormen Prozeßumstellungen und hohen Investitionen verbunden. Hinzu kommen deutlich gestiegene Kosten für klimafreundliche Verfahren und generell die Problematik der angestiegenen Energiekosten vor allem am Standort in Deutschland.
Die Autoren dieses Beitrags haben bereits in der Veröffentlichung auf die mit der klimaneutralen Prozeßumstellung verbundenen Kosten und die entsprechenden Fördermöglichkeiten hingewiesen: Die Energiewende bedarf einer umfassenden Förderung der Investitions- und Betriebsmehrkosten. Von staatlicher Seite bestehen hierfür europäische und nationale Förderprogramme für die sich Wärmebehandlungs- und Härtereibetriebe bewerben können. Die Autoren haben dies bereits ausführlich in anderen Fachberichten beschrieben und sind hier gerne unterstützend tätig [3, 4].
Der vorliegende Beitrag stellt die wesentlichen Überlegungen zur Verbesserung der Energieeffizienz in der Wärmebehandlung und Härterei und die korrespondierenden Fördermöglichkeiten zur deutlichen Verbesserung der Kostenstruktur vor.
Aspekte zur Energieeffizienzsteigerung als Basis zur Dekarbonisierung
Wärmebehandlungsprozesse unterliegen einem mehr oder wenigen hohen Energieverbrauch mit dementsprechend großen Mengen an CO2. Etwa 40 % der industriell genutzten Energie wird für Thermoprozesse in Industrieöfen verbraucht. Zudem ist die jahrzehntelange Nutzung und Lebensdauer entsprechender Anlagen sehr hoch, so dass zur Klimaneutralität oder auch zur generellen Verbesserung der Energieeffizienz dieser Ofenanlagen entsprechende Modernisierungsmaßnahmen wirtschaftlich sinnvoll sind. Wie bereits erwähnt, haben Bund und Länder als auch die EU entsprechende „Fördertöpfe“ bereitgestellt, die Investitionen für den Betreiber auch unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten sehr interessant sind und im Rahmen der generellen Modernisierung hin zur Dekarbonisierung in den Unternehmen genutzt werden.
Industrieofenbauer haben immer schon das Ziel gehabt, die Energieeffizienz ihrer Anlagen in den Bereichen Ofenisolierung, Beheizungssysteme, Abwärmenutzung und Stromverbrauch sowie die integrierte Nutzung von Abwärme für den thermischen Prozess zu verbessern – nicht immer sind diese Entwicklungsschritte von den Betreibern dieser Anlagen entsprechend auch genutzt und bereits umgesetzt worden. Bis vor wenigen Jahren fehlte vor allem die mit den hohen Erwartungen der Branche verbundene Wirtschaftlichkeit in diese Modernisierungsmaßnahmen. Der Return-on-Invest war in der Vergangenheit mit je nach Maßnahme von bis zu 3 bis 10 Jahren schlichtweg zu lang. Mittlerweile hat sich diese Situation komplett verändert. „Galoppierende“ Energie, vor allem Gaspreise, lassen eine wirtschaftliche Produktion in der Wärmebehandlung- und Härterei nur mit größtem Aufwand darstellen. Da „hilft“ dann oftmals nur eine Verschärfung bzw. Limitierung der Prozeßführung z.B. in den Emissionen bei Wärmebehandlungsprozessen, wie beispielsweise die Festlegung der Obergrenze von Stickoxiden NOx von 500 auf 100 mg/m3 !
„Klimaneutralität“ ist zudem die „Vorgabe der Stunde“. Was liegt daher näher auf der Hand, dass die durch die nationale und europäische Gesetzgebung „auch“ vorgegebene Verbesserung der Effizienz insbesondere der energieintensiven Prozesse weiter zu steigern. Für die Zukunft hat die EU mit dem EU-Energie- und Klimapaket die Zukunftsziele, d.h. die Reduzierung der Treibhausemissionen und die zur Erfüllung unterstützende Förderung erneuerbarer Energien festgelegt. Mit dem New-Approach-Ansatz der EU dürfen dann nur noch Produkte in den Handel gebracht werden, die dieser Richtlinie entsprechen. Insofern haben liegen nun zwei „Triebkräfte“ vor: (1) Verbesserung der Energieeffizient in Industrieöfen und (2) Verbesserung der Klimaneutralität in den Wärmebehandlungsprozessen – beides ist mittlerweile technisch „gut möglich“ und zudem auch wirtschaftlich „zwingend“ notwendig. Im folgenden Bericht werden Ansätze und Maßnahmen vorgestellt, die dem Aspekt der verbesserten Effizienz mit der Anforderung der Klimaneutralität entsprechen.
Der Kollege Egger hatte erst kürzlich an gleicher Stelle über Möglichkeiten der Dekarbonisierung von Wärmebehandlungsprozessen mit Schutzgasatmosphären berichtet [5]. Er stellte dabei den CO2 „Foorprint“ unterschiedlicher Gasaufkohlungsverfahren gegenüber und schlug dementsprechend ein Umweltklassifizierungssystem für die einzelnen Verfahren vor, welches die Menge an Kohlenstoffmasse, die von den Bauteilen während des Aufkohlungsprozesses aufgenommen werden, ins Verhältnis zu der Menge an Kohlenstoff , die in den entsprechenden Prozeßen in den Ofenanlagen bereitgestellt werden müssen. Das Niederdruckaufkohlungsverfahren hat dabei als Vakuumverfahren mit minimalem Verbrauch an Reaktionsgasen und zudem der Verwendung des für die CO2-Bilanzierung unschädliches Acetylen C2H2 „erwartungsgemäß“ eine „A“-Klassifizierung erhalten. Demgegenüber wurde das klassische Gasaufkohlungsverfahren in einer Umweltverträglichkeits-Klassifizierung mit Klasse „E“ bewertet.
Die Autoren Hiller, Bertoni, Irretier und Jost haben in der Heat Processing in 2020 bereits über die ökologischen Vorteile des Niederdruckaufkohlens insbesondere in optimierter modularer Anlagentechnik berichtet [6].
Maßnahmen zur Verbesserung der Energieeffizienz in Wärmebehandlung und Industrieofenbau
Industrieofenbauer haben bereits vor einigen Jahren damit begonnen, die Energieeffizienz ihrer Anlagen in den Bereichen Ofenisolierung, Beheizungssysteme, Abwärmenutzung und Stromverbrauch sowie die integrierte Nutzung von Abwärme für den thermischen Prozess entscheidend zu verbessern. So weisen moderne Ofenanlagen gegenüber älteren Anlagen in energieeffizienter Ausführungen 20 bis 30 % geringeren Energieverlust im Bereich der Wandisolierung auf. Durch Maßnahmen der Abgastechnik wie Wärmerückgewinnung können in einigen Fällen sogar bis zu 75 % der Energie eingespart werden. Die Durchführung energieeffizienter Maßnahmen ist dabei sowohl durch Nachrüstung an bestehenden Anlagen als auch bei entsprechenden Neuanlagen sinnvoll und technisch gut umzusetzen.
„Klimaneutralität“ ist die „Vorgabe der Stunde“. Was liegt daher näher auf der Hand, dass die nationale und europäische Gesetzgebung weiter handelt, um die Effizienz insbesondere der energieintensiven Prozesse weiter zu steigern. Für die Zukunft hat die EU mit dem EU-Energie- und Klimapaket die Zukunftsziele, d.h. die Reduzierung der Treibhausemissionen und die zur Erfüllung unterstützende Förderung erneuerbarer Energien festgelegt. Mit dem New-Approach-Ansatz der EU dürfen dann nur noch Produkte in den Handel gebracht werden, die dieser Richtlinie entsprechen [7].
Der Industrieofenbau als Lieferant und die Wärmebehandlungsbranche als Betreiber haben bereits vor einigen Jahren damit begonnen, die Energieeffizienz ihrer Anlagen in den Bereichen Ofenisolierung, Beheizungssysteme, Abwärmenutzung und Stromverbrauch sowie die integrierte Nutzung von Abwärme für den thermischen Prozess in Koalition zu verbessern. Die Durchführung energieeffizienter Maßnahmen ist dabei sowohl durch Nachrüstung an bestehenden Anlagen als auch bei entsprechenden Neuanlagen sehr gut möglich. Die wirtschaftliche Bewertung einer entsprechenden Modernisierungsmaßnahme und einer damit verbundenen effizienteren Energienutzung in der Wärmebehandlungs- und Ofentechnik ist dabei immer mit der grundlegenden Frage des Wärme- und Stofftransports verbunden, wie die vorhandene Wärme, d. h. der Energieinhalt eines Bauteils, einer Atmosphäre oder eines Stoffes durch ein Temperaturgefälle an ein anderes Medium oder die Umgebung übertragen werden kann. Die Herausforderung bei dieser Bilanzierung ist die, dass die zur Verfügung stehende Wärmemenge je nach Prozess diskontinuierlich anfallen kann und zudem von den Tages- bzw. Jahreszeiten abhängig sein kann, während die Abwärme oder Energie bedarfsgerecht bereitgestellt werden muss. Bei der Wärmebehandlung werden Bauteile auf hohe Temperaturen erwärmt, gehalten und nach einer entsprechenden Haltedauer wieder abgekühlt. Der Wärmeübergang auf das Bauteil erfolgt bei Temperaturen bis 700 °C überwiegend durch (erzwungene) Konvektion, während bei höheren Temperaturen für die Erwärmung mehr und mehr die Wärmestrahlung verantwortlich ist. Es ist daher nachvollziehbar, dass insbesondere bei niedrigeren Temperaturen bis etwa 700 °C eine forcierte Umwälzung für eine beschleunigte und zudem gleichmäßige Erwärmung der Chargen notwendig ist. Neben der konventionellen Umwälzung durch Heißgasventilatoren hat sich in den letzten Jahren bei einigen Anlagentypen die Erwärmung durch Hochgeschwindigkeitskonvektion durchgesetzt. Mithilfe dieser Technologie können Öfen in kompakter Bauweise konstruiert werden, die sich durch eine sehr gute Temperaturgleichmäßigkeit und eine hohe Energieeffizienz auszeichnen.
Die Optimierung und Steigerung der Umwälzung und Strömung im Industrieofen ist daher ein wesentlicher Aspekt zur Steigerung der Energieeffizienz. Durch Hochgeschwindigkeitskonvektion können zum Beispiel Durchlaufanlagen im Hinblick auf ihre beheizte Länge deutlich verkürzt werden – in einigen Fällen sogar um bis zu 70 %. Damit beträgt zum Beispiel die Baulänge einer solchen Durchlaufanlage bei kurzen Temperaturhaltezeiten von ca. 5 min für dickwandige Bleche nur ca. 30 % von dem eines reinen Strahlungsofens bzw. nur ca. 50 % eines klassischen Konvektionsofens. Insgesamt können Ofenanlagen bei einer Optimierung der Umwälzung und Durchströmung somit kleiner ausgeführt werden, da die thermischen Prozesse entsprechend schneller ablaufen und sich dadurch der Durchsatz erhöht.
Optimierung Isolieraufbau
Die Auswahl bzw. Kombination von Wärmedämmstoffen und Isolierungen beinflusst ganz wesentlich die Eigenschaft des Ofens hinsichtlich Energieverbrauch, Aufheiz- und Abkühlgeschwindigkeit, Energieverluste, Speicherwärme und somit Energieeffizienz. Faserisolierstoffe beispielsweise besitzen eine geringe mechanische Festigkeit, besitzen demgegenüber aber ein hohes Isoliervermögen und eine geringe Wärmespeicherkapazität. Schwere Isolierstoffe wie Feuerfestbeton oder Feuerleichtsteine sind mechanisch hoch belastbar, haben eine große Wärmespeicherkapazität und eine geringere Isolierwirkung. Die optimale Kombination verschiedener Isolierstoffe (Ausnutzung des Isoliervermögens, der Speicherkapazität, der mechanischen Festigkeit und der max. Anwendungstemperatur) und Anpassung auf den jeweiligen Einsatz ermöglicht erst den energieeffizienten Ofenbetrieb. So können mikroporöse Wärmedämmstoffe die Energieverluste über die Ofenwände im Vergleich zu einem herkömmlichen Isolieraufbau um etwa 20 % reduzieren, womit in der Regel auch eine Herabsetzung der äußeren Ofenwandtemperatur von etwa 10 °C erreicht wird.
Optimierung Brennertechnik
Die Wirtschaftlichkeit und Effizienz eines Wärmebehandlungsprozesses hängt vom Energieverbrauch pro Bauteile oder Gewicht ab. Moderne Industrieöfen sind insbesondere bei hohen Einsatztemperaturen in der Regel mit rekuperativen oder regenerativen Kompakt-Impulsflammenbrennern ausgestattet, die einen Wirkungsgrad im praktischen Gebrauch von etwa 75 % aufweisen. Brenner mit integrierten Regeneratoren weisen sogar Wirkungsgrade von mehr als 85 % auf. Beide Brennertypen ermöglichen zudem den Ofenbetrieb mit sehr niedrigem CO2-Ausstoß bei gleichzeitiger Minimierung der NOX-Emission.
Elektrische Beheizungssysteme werden je nach Anwendungsfall und -temperatur in einer Vielzahl unterschiedlicher Materialien realisiert. Zudem benötigen elektrisch widerstandsbeheizte Öfen keine spezielle Genehmigung, wie sie für die Aufstellung brennstoffbeheizter Öfen erforderlich ist. Im Hinblick auf den Umwelt- und Arbeitsschutz sind insbesondere die geringe Lärm- und Wärmebelastung am Betriebsort zu nennen. Zudem treten hier keine Emissionen von Brennstoffabgasen auf. Um eine möglichst hohe Energieeffizienz der elektrischen Beheizung zu erreichen, ohne die Oberflächenbelastung zu überschreiten, muss deren maximal zulässige Elementtemperatur eingehalten werden.
Wärmerückgewinnung
Abwärmemengen gilt es, hinsichtlich der Energieeffizienz grundsätzlich zu nutzen. Ein besonderer Fokus wird heute vor allem auf die Abwärmenutzung von Brennerabgasen.
Die Wärmenutzung ungenutzter Abgase sollte vor allem dann in den Fokus treten, wenn Neubauten von Produktionshallen anstehen und die Wärmenutzung im Rahmen der Energieeinsparverordnung (EnEV) geltend gemacht werden konnten, da die Investition sich in der Regel vor allem bei Neubau oder kompletter Erneuerung und Nutzung der Wärme in der Heizperiode rechnet. Die Energieeinsparverordnung (EnEV) war ein Teil des deutschen Wirtschaftsverwaltungsrechtes. Sie wurde zum 1. November 2020 durch das Gebäudeenergiegesetz abgelöst.
Abwärmemengen können nur bei einem thermodynamischen Gefälle, d.h. bei einer ausreichend hohen Temperaturdifferenz zwischen Quelle und Verbraucher genutzt werden. Die Wärmeenergie im Kühlwasser bei Abschreckpozessen des Härtens kann beispielsweise durch entsprechende Wärmetauscher direkt für einen Reinigungsprozeß genutzt werden. Die Nutzung hinsichtlich Hallenbeheizung hat sich vor allem bei Neuinstallationen durchgesetzt. Zu berücksichtigen ist hier, dass für eine Raumbeheizung verhältnismäßig große Luftmengen bewegt werden müssen, die wiederum die Bereitstellung von Förderenergie erforderlich machen. Einfacher und energieeffizienter ist die Beheizung über Fußbodenbeheizung, die darüber hinaus auch im Außenbereich (Parkplatz, Auffahrten) interessante Perspektiven bietet. Auch die Nutzung des warmen Wassers für den Sanitärbereich ist hinsichtlich Abwärmenutzung eine vor allem auch betriebswirtschaftlich sehr interessante Variante. In diesem Fall wird über einen zusätzlichen Wasser-Wasser-Wärmetauscher Dusch- und Heizwasser mit verhältnismäßig hoher Temperatur an einen Heißwasserspeicher für den genannten Bedarf abgegeben. Bei größeren Wärmemengen ist auch die Einspeisung in öffentliche Fernwärmenetze sinnvoll. Energetisch betrachtet lassen sich grundsätzlich alle über Kühlwasser/Wärmetauscher betriebenen Maßnahmen durch Erhöhung der zulässigen Kühlwassertemperatur an den Verbrauchern verbessern.
Die Rückkühlung von Ölabschreckbädern erfolgt in der Regel über Öl-Wasser- oder Öl-Luft Plattenwärmetauscher, die entsprechend der Kühlung von Wasser in die Kreisläufe zu integrieren sind. Die Beheizung von Reinigungsanlagen (40-80 °C) oder die Bauteiltrocknung nach der Reinigung kann durch Abwärmenutzung aus Ölabschreckbädern in gleicher Art über Wärmetauscher erfolgen. Dabei sollten Temperaturdifferenzen zwischen Öl- und Reinigungsbad von größer 20 °C vorliegen, welches bei Wahl geeigneter Systeme in der Regel kein Problem darstellt. Bei Abwärmenutzung von Ölbädern zur Trocknung (mit oder ohne Schwadenkondensator) an Durchlaufanlagen, die einen jährlichen Kühlwasserbedarf von etwa 20.000 m3 erfordern, ist eine Energieeinsparung von etwa 15 bis 20 kW möglich, sodass bei diesen Anlagen mit Amortisationszeiten für diese Maßnahmen von drei Jahren zu rechnen ist.
Literatur
[1] Tobias Fleiter: Industrial Innovation: Pathways to deep decarbonisation of industry. ICF Consulting Services Limited and Fraunhofer Institute for Systems and Innovation Research (ISI),
[2] Tough targets (Editorial). In: Nature 522, Issue 7555, (2015), 128
[3] Olaf Irretier, Marco Jost, Julian Irretier: Maßnahmen zur energieeffizienten Wärmebehandlung in der Industrieofentechnik – Aspekte und Hinweise zur Förderung, Prozeßwärme x /2022
[4] Olaf Irretier, Marco Jost, Julian Irretier: Energieeffizienz und Wärmerückgewinnung in Wärmebehandlung und Härtereibetrieb (Teil 1 und 2), Prozeßwärme 1 und 2/2021
[5] Helmut Egger: Dekarbonisierung von Schutzgasatmosphären, Prozeßwärme 5 2022
[6] Gerald Hiller, Pierre Bertoni, Olaf Irretier, Marco Jost: Modular heat treatment using nitriding and low pressure carburizing, heat processing 4/2020
[7] Irretier, O.: Resource savings and energy efficiency in heat treatment shops. heat processing 12 (2014), No. 1
[8] [Matthäus, R.: Energieeffizienz und Wärmerückgewinnung im Härtereibetrieb-Einsparpotenziale und Fördertöpfe. Vortrag auf der Tagung HärtereiPraxis 2020
[9] Hiller, G.; Bertoni, P.; Jost, M.; Irretier, O.: Modular heat treatment using nitriding and low-pressure carburising. heat processing 18 (2020), No. 4
[10] Marcus Lodde, Effizienz-Agentur NRW: Innovationen und Ressourceneffizienz-Maßnahmen mit staatlichen Mitteln fördern und durchstarten. Vortrag Fachtagung Härtereipraxis am 30. November 2021 in Neuss
Autoren
Julian Irretier (Quelle: IBW Dr. Irretier GmbH)
(Quelle: IBW Dr. Irretier GmbH)
Julian Irretier
IBW Dr. Irretier GmbH
Marco Jost (Quelle: IBW Dr. Irretier GmbH)
(Quelle: IBW Dr. Irretier GmbH)
Marco Jost
IBW Dr. Irretier GmbH
Olaf Irretier (Quelle: IBW Dr. Irretier GmbH)
(Quelle: IBW Dr. Irretier GmbH)
Dr. Olaf Irretier
