Ein innovatives Produktionskonzept spart Gießereibetrieben künftig einen Energieverbrauch in Terajoule-Höhe ein. Das Forschungsprojekt ETAL hat dazu transportable Schmelz- und Warmhalteöfen mit integrierter flammenfreier Poren-Gasbrennertechnologie eingesetzt und die Prozesskette flexibilisiert.

Von der Alufolie im Haushalt über Motorkomponenten im Auto bis hin zu Elementen einer Windkraftanlage: Aluminium kommt in unserem Alltag in vielen Formen und Anwendungsgebieten vor. Als Leichtmetall kann es in große Formen bei relativ niedrigem Gewicht gegossen werden. Der Gießereiprozess ist jedoch sehr energieintensiv. Um das zu ändern, entwickelt das Wissenschaftlerteam hinter dem Forschungsprojekt ETAL neuartige Technologien sowie Anlagenkomponenten und stellt die Logistik in der Leichtmetallgießerei um.

Innovative Brennertechnologie und flexiblere Prozesse sparen jährlich eine halbe Gigawattstunde Energie

So erarbeiten die WissenschaftlerInnen im Forschungsprojekt ETAL zum einen ein neuartiges transportables Schmelz- und Warmhalteofenkonzept. Dieses greift auf eine flammenfreie Poren-Gasbrennertechnologie zurück, um auf teuren Strom verzichten zu können. Zum anderen organisieren sie den gesamten Gießereiprozess neu und damit deutlich flexibler.

Die Forschungsansätze aus ETAL zeigen großes Potenzial, Leichtmetalle energieeffizienter zu produzieren. So konnte die Leichtmetallgießerei Bad Langensalza (LGL) mit der vom Projektpartner promeos entwickelten Anlagentechnik den Energiebedarf in ersten Praxisversuchen um rund 94 Prozent Strom und 29 Prozent Gas reduzieren. Liegt die durchschnittliche Energieeinsparung in der gesamten Produktion von LGL bei etwa 25 Prozent, ergibt sich daraus rund eine halbe Gigawattstunde (GWh) im Jahr. Damit kann die Leichtmetallgießerei bei deutlich geringeren Kosten produzieren. Das Ausmaß der verbesserten Energieeffizienz zeigt sich insbesondere übertragen auf rund 600 Gießereibetriebe in ganz Deutschland. Wird hier mit einem durchschnittlichen Einsparpotenzial von 20 Prozent gerechnet, können jährlich mehrere Terajoule (TJ) Energie eingespart werden.

Wie sieht die Produktion in der Gießerei aus?

Um Leichtmetallbauteile herzustellen, wird Aluminium zunächst aufgeschmolzen und bis zur Gießtemperatur von rund 820 Grad Celsius erhitzt. Die entstandene Schmelze wird anschließend aus dem Schmelztiegel in eine sogenannte Transportpfanne umgegossen, um sie zum eigentlichen Gießprozess zu transportieren. Die Transportpfanne muss vorgewärmt werden, damit die Aluminiumschmelze beim Umgießen nicht zu stark abkühlt. Aus der Transportpfanne wird sie in einen stationären Warmhalteofen umgefüllt. Dieser sorgt dafür, dass die Aluminiumschmelze ausreichend flüssig und ihre Temperatur vor dem Gießen konstant bleibt. Um nun ein Bauteil herzustellen, wird die Schmelze aus dem Warmhalteofen geschöpft und in die Bauteilform gegossen. Sobald sie abgekühlt und wieder verfestigt ist, ist das Bauteil fertig. Weil der Gießereiprozess konstant hohe Temperaturen benötigt, ist er sehr energieintensiv. Die vielen Umfüllprozesse erhöhen das Risiko an Fehlproduktionen und Ausschussware, da sich die Schmelze dabei mit Sauerstoff anreichert.

Neuer transportabler Tiegelschmelzofen mit Dockingstation ersetzt ineffizientes Umfüllen der Schmelze

Das neue Tiegelschmelzofen-Konzept von ETAL ermöglicht es, das Leichtmetall im selben Behälter zu schmelzen, zu transportieren und warmzuhalten. Dazu ist in den Dockingstationen, den "promeos heatdocks", ein Poren-Gasbrenner integriert, der den portablen Tiegelschmelzöfen, den "promeos mpots", die Energie zum Schmelzen oder Warmhalten zuführt. Die Dockingstation kann mehrere Schmelztiegel versorgen und führt Brenngas und Verbrennungsluft entsprechend der benötigten Leistung zu.

Ein mobiler Tiegelschmelzofen
©promeos GmbH
In den mobilen Tiegelschmelzöfen "promeos mpot" kann Aluminium aufgeschmolzen, transportiert und warmgehalten werden.

Bisher erfolgte insbesondere das Warmhalten elektrisch. Das neue Tiegelschmelzofenkonzept im Forschungsprojekt ETAL stellt den Prozess auf Gas um und reduziert den Strombedarf in der Folge auf nahezu Null. Obwohl damit ein zusätzlicher Prozess mit Gas betrieben wird, kommt es auch hier zu einer Einsparung: Das neue Konzept ist deutlich effizienter, da mithilfe des „promeos mpots“ nur noch ein Gefäß anstatt mehrerer aufgeheizt werden muss und auf Umfüllvorgänge vollständig verzichtet werden kann. So werden zukünftig die drei Prozessschritte Schmelzen, Transportieren und Warmhalten miteinander kombiniert und die Prozesskette verkürzt.

PUSH- und PULL-Prinzip in der Gießerei: Drei Prozessschritte kombinieren

Das neuartige Schmelztiegel-Konzept mit Dockingstation macht eine dezentrale Produktion im Gießereibetrieb möglich. So kann diese nach dem sogenannten PULL-Prinzip viel gezielter und effizienter ablaufen. Ein Monitoringsystem überwacht den gesamten Prozess und steuert die bedarfsgerechte Schmelze-Versorgung, sodass die Schmelze gezielt von der Dockingstation zum Gießprozess geleitet wird.

Tiegelschmelzofen
©promeos GmbH
Mithilfe der mobilen Tiegelschmelzöfen und der Dockingstation kann die Leichtmetallschmelze passgenau an der Kippgießmaschine bereitgestellt werden.

Bisher ist der Gießereiprozess zentral, entsprechend eines PUSH-Systems, geregelt. Das bedeutet, das Leichtmetall wird an einer zentralen Stelle aufgeschmolzen und stetig an die nachfolgenden Prozessschritte verteilt. Für den Transport und an den einzelnen Stationen wird die Schmelze umgegossen. Unvorteilhaft ist, dass sie dabei abkühlt und meist über elektrische Beheizung erneut erwärmt beziehungsweise bei längeren Wartezeiten warmgehalten werden muss. Der aktuelle Gießereiprozess ist somit sehr zeit- und energieintensiv.

Die neu gestaltete Logistik flexibilisiert den Gießereiprozess demnach bedeutend. Weiterhin reduzieren sowohl das neue Schmelztiegel-Konzept als auch das PULL-Prinzip den Energieverbrauch und die Menge an Ausschussware.

Poren-Gasbrenner und vorgewärmte Verbrennungsluft sorgen für homogene Temperatur der Metallschmelze

Eine essenzielle Entwicklung von ETAL ist, den Gießereiprozess auf innovative gasbasierte Brennersysteme umzustellen und damit eine strombasierte Beheizung weitestgehend zu ersetzen. Bei den im „promeos heatdock“ integrierten Brennern handelt es sich um sogenannte Poren-Gasbrenner, die der Projektpartner promeos bereits in der Vergangenheit entwickelt hat.

Promeos heatdock und mpot in der Schmelzerei der Leichtmetallgießerei Bad Langensalza (LGL)
©promeos GmbH
Der integrierte flammenfreie Poren-Gasbrenner des "promeos heatdocks" beheizt den transportablen Tiegelschmelzofen in der Schmelzerei.

Dieses neuartige Gasbrennersystem bietet deutliche Vorteile gegenüber aktuellen offenflammigen Brennern oder strombetriebenen Systemen. So ist es möglich, eine homogene Temperatur der Metallschmelze bei zeitgleich geringerem Energieverbrauch zu erreichen. Zudem bietet der neue Porenbrenner auch ökologische Vorteile und spart CO2-Emissionen ein. Denn der bisher genutzte Strom wird entsprechend des aktuellen Strommixes nach wie vor zu einem großen Teil aus fossilen Energieträgern gewonnen.

Um den Schmelzprozess noch energieeffizienter zu machen, will das Wissenschaftlerteam im Forschungsprojekt ETAL die Brennertechnologie auch dahingehend weiterentwickeln, dass die Dockingstationen vorgewärmte Verbrennungsluft nutzen können. (ln)

Die Porenbrenner-Technologie

Bei offenflammigen Systemen wird der Schmelztiegel mit einem Flammenbrenner beheizt. Hierbei ist es schwierig, das Temperaturniveau exakt einzustellen und dieses homogen in der Schmelze zu erreichen. Die starke, teils punktuelle Hitzeeinwirkung beansprucht zudem das Tiegelmaterial. Dagegen wird bei sogenannten Porenbrennern Gas in einer keramischen Struktur – vergleichbar mit den Poren eines Schwammes – verbrannt. Diese fängt an zu glühen und gibt Wärme an die Umgebungsluft ab, die den Tiegel sehr homogen über Konvektion beheizt. Über einen effizienten Wärmeübergang und die schadstoffarme Verbrennung des Gases durch die Porenbrenner können zudem der CO2-Ausstoß sowie die Kohlenmonoxid (CO)-  und Stickoxid (NOx)- Emissionen durch die Porenbrenner niedrig gehalten werden.

ETAL - Entwicklung neuartiger Technologien, Anlagenkomponenten und Logistik zu einer energieeffizienten Fertigung in Leichtmetall-Gießereien

För­der­kenn­zei­chen: 03ET1499A-D

Projektlaufzeit
01.06.2017 28.02.2021 Heute ab­ge­schlos­sen

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