Der nächste Schritt zur klimaneutralen Gießerei

Die Nutzung von Prozesswärme, die effiziente Be- und Entlüftung und die Senkung des Verbrauchs an Heizungsenergie stellen zentrale Ansatzpunkte für Maßnahmen zur Energieeffizienzsteigerung dar. Die Kombination von Abluftmanagementsystemen und der Erhaltung beziehungsweise die Rückgewinnung von Abwärme bietet großes Potenzial – nicht nur wie vielerorts praktiziert im Zusammenhang mit der emissionsbelasteten Abluft aus dem Gießprozess – sondern auch an den energieintensiven Schmelzöfen.

Studien zeigen, dass die bestehen¬den Abwärmepotenziale in Gießereien heute nicht einmal zur Hälfte genutzt werden, beziehungsweise dass etwa 40 Prozent des Energiebedarfs von Gießereien bei geeigneten Lösungsansätzen über Wärmerückgewinnung gedeckt werden könnten.

Der Anlagenbauer KMA Umwelttechnik realisiert unter anderem Projekte für die Abluftreinigung und die Wärmerückgewinnung an Schmelzöfen und gibt Einblick in die Entwicklungen. 

Ausbau von Schmelzkapazitäten erhöht Energiebedarf

Anders verhält es sich bei den Schmelzöfen. Gießereien im Aluminium-Druckguss nutzen überwiegend gasbeheizte Schmelzöfen, um das Aluminium zu schmelzen. In der Vergangenheit wurden zentrale Schmelzöfen verwendet, um die Schmelze dann von dort zu den Warmhalteöfen und Dosierungen an den einzelnen Druckgießmaschinen zu verteilen.

Mit dem neuen Trend zum Gießen sehr großer Bauteile oder dem Mehrformenguss (sogenannte Giga-Casting oder Mega-Casting) und dem damit verbundenen hohen Verbrauch an Schmelze, werden zunehmend auch dezentrale Schmelzöfen eingesetzt. Vom modernen Schachtschmelzofen bis zum Dosierofen werden eigene durchgängige Versorgungslinien für einzelne oder mehrere Druckgießmaschinen verwirklicht, um Gussteile mit einem Dosiergewicht von bis zu 160 Kilogramm zu realisieren. Mit dem Ausbau der Gießkapazität geht ein Ausbau der Schmelzkapazität einher und damit wiederum der Energiebedarf. 

Sowohl beim Bestand als auch bei geplanten Neuinvestitionen rückt das Potenzial der Energieeffizienz der erdgasbetriebenen Schmelzöfen nun in den Fokus. Mit einem Anteil von etwa 80 Prozent ist Erdgas der wesentliche Energieträger für den Betrieb von Schmelzöfen. Aufgrund des durchschnittlichen Verbrauchs von 19,5 Gigawattstunden pro Jahr sind Nichteisen-Metallgießereien besonders durch die Energiepreissteigerungen im Jahr 2022 auf das Dreifache und mehr im Vergleich zu 2021 sowie zusätzlich drohenden Versorgungsengpässen gefährdet.

Die Dringlichkeit für einen energieeffizienten Betrieb von Schmelzöfen zeigt sich an dem regen internationalen Interesse an neuen nachhaltigen Lösungsansätzen in der Branche. 

Potenzial für die Wärmerückgewinnung ist beeindruckend

Insbesondere die in der Abluft der Schmelzöfen enthaltene Prozesswärme rückt derzeit in das Bewusstsein vieler Gießereien. Moderne Schachtschmelzöfen für den Aluminiumdruckguss haben beispielsweise bei einer Schmelzkapazität von 3,5 Tonnen ein Abluftvolumen von bis zu 20 000 Kubikmeter pro Stunde. Diese Abluft besitzt je nach Füll- und Betriebszustand des Ofens unterschiedliche Temperaturen. Sie reichen im Allgemeinen von 180 bis 300 Grad Celsius. Im Mittel kann eine Temperatur von etwa 240 Grad Celsius angenommen werden. 

Eine gemäß den exemplarischen Auslegungsrechnungen mittlere Energierückgewinnung von jährlich 2,7 Megawattstunden entspricht in etwa einem Verbrauch von 270 000 Kubikmeter Erdgas beziehungsweise bei einem Gaspreis von neun Cent je Kilowattstunde einem Wert von jährlich 243 000 Euro. Im Falle höherer Schmelzkapazitäten und einem entsprechend höheren Abluftvolumen wächst auch das Potenzial für die Energierückgewinnung.

Wenn es gelingt, über die Wärmerückgewinnung den Verbrauch an Erdgas zu reduzieren, so winken vielerorts neben dem Beitrag zur Umsetzung der Nachhaltigkeitsziele zusätzliche Kostensenkungspotenziale bei den CO2-Abgaben. Selbst wenn statt Erdgas alternative Energieträger wie Strom oder Wasserstoff für den Betrieb des Schmelzofens eingesetzt werden – die Prozesswärme auf Dauer ungenutzt mit der Abluft zu emittieren ist in den aktuellen Zeiten nur schwer vorstellbar.

Integrierter Lösungsansatz für Wärmerückgewinnung und Abluftreinigung notwendig

Um dieses Potenzial der Wärmerückgewinnung dauerhaft erschließen zu können, ist eine geeignete Verfahrenstechnik und Abluftreinigung erforderlich, da die Abluft der Schmelzöfen mit Emissionen belastet ist. Sie enthält eine Staubfracht, die wiederum in Abhängigkeit vom Betriebszustand und beispielsweise dem Zusatz von Salzen zur Aufbereitung der Schmelze von 5 Milligramm pro Stunde bis zu einem Vielfachen davon reichen kann.

Die Staubfracht schlägt im Laufe des Betriebs im Wärmetauscher nieder. Die Verschmutzung verringert zunächst die Wärmeleitfähigkeit und damit den Wirkungsgrad der Wärmetauscher. Schließlich bewirkt sie, dass Bereiche der Wärmetauscher verstopfen und die Anlage dadurch blockiert wird. Der Wärmetauscher muss daher regelmäßig gereinigt werden. Um hohe Staubemissionen in die Umwelt zu vermeiden, ist zudem eine wirksame Reinigung der Abluft erforderlich. 

Da Abluftfilter im Allgemeinen nicht bei sehr hohen Temperaturen betrieben werden können, müssen sie in der Verfahrensreihenfolge hinter der Wärmerückgewinnung angeordnet werden. Der Abluftfilter muss ebenfalls regelmäßig von der abgeschiedenen Staubfracht befreit beziehungsweise gereinigt werden. Eine weitere Herausforderung besteht darin, dass sich insbesondere als Folge des Verbrennungsprozesses und der zugesetzten Salze saure Substanzen bilden können, die korrosiv auf den Wärmetauscher und den Abluftfilter wirken können.

An diesem Punkt setzt die Lösung von KMA Umwelttechnik an. Mit dem ULTRAVENT® System werden Funktionsbausteine modular kombiniert. So können leistungsstarke Wärmetauscher und elektrostatische Abscheider platzsparend in einer Anlage verbaut werden. Dieser integrierte Ansatz wird weltweit bereits in verschiedenen Industrien mit anspruchsvollen Einsatzbedingungen erfolgreich angewendet. 

Die Anlage wird vertikal von unten nach oben durchströmt. Die heiße Abluft wird zunächst durch mehrstufige Lamellen-Wärmetauscher aus Edelstahl geführt. Dort wird die Prozesswärme auf ein flüssiges Medium übertragen. So kann beispielsweise Wasser auf bis zu 95 Grad Celsius oder Solarflüssigkeit auf bis zu 145 Grad Celsius erhitzt werden. Gleichzeitig wird die Temperatur der Abluft nahe über den Taupunkt abgesenkt. Die Anzahl der Wärmetauscherstufen wird bedarfsgerecht ausgelegt und kann entsprechend variieren. 

Im nächsten Abschnitt der Anlage wird die Abluft durch einen mehrstufigen elektrostatischen Filter aus Edelstahl geführt. Die in der Abluft enthaltenen Partikel werden dort hochwirksam abgeschieden. Der sehr geringe Luftwiderstand des elektrostatischen Filters trägt maßgeblich zur hohen Energieeffizienz der Lösung bei. Über die Anzahl der Stufen kann die anforderungsgerechte Abscheideleistung flexibel ausgelegt werden.

Mit einem vierstufigen elektrostatischen Filter können beispielsweise auch hohe Emissionslasten von 150 Milligramm pro Kubikmeter auf weniger als zwei Milligramm pro Kubikmeter reduziert werden. Gleichzeitig beträgt der Druckverlust von vier Filterstufen insgesamt nur etwa 130 Pascal. Der für die Förderung der Abluft benötigte Energieeinsatz ist damit sehr gering. Wie beschrieben müssen Wärmetauscher und Abluftfilter regelmäßig von dem angesammelten Staub gereinigt werden.

Reinigung mit Zirkulationspumpe 

An dieser Stelle kommt das Nassreinigungssystem der Anlage zum Einsatz. In einem Wasserbehälter wird eine Waschlösung aus Wasser mit einem gering dosierten Reinigungsmittel erwärmt. Durch eine Zirkulationspumpe wird sie zu verschiedenen Ebenen der Anlage gefördert und dort über motorisch angetriebene Düsenstöcke in alle Bereiche der Wärmetauscher und der elektrostatischen Filter gesprüht.

Das Wasser fließt durch die Schwerkraft zurück zum Wasserbehälter und nimmt dabei Verunreinigungen aus der Anlage mit. Um das Reinigungssystem im Falle hoher Staubfracht zu schützen wird das zurücklaufende Wasser über einen Bandfilter geführt. Im Filtervlies des Bandfilters wird der Staub zurückgehalten und in einen Auffangbehälter abgeschieden, bevor das Wasser erneut über die Zirkulationspumpe in die Anlage gefördert wird. Der geringe Platzbedarf ist eine weitere Stärke des integrierten Ansatzes für Wärmerückgewinnung und Abluftreinigung. 

Energiebetrachtung als neue Aufgabenstellung für die Gießereien

Gießereien besitzen bislang in der Regel nur wenige Informationen über die Abluft an den von ihnen betriebenen oder geplanten Schmelzöfen. Abluftvolumina und Ablufttemperaturen aber auch die Menge und die Charakteristika der in der Abluft enthaltenen Emissionen wurden in der Vergangenheit vielfach nicht systematisch untersucht. Für die richtige Auslegung von Wärmerückgewinnung und Abluftreinigung werden daher nun entsprechende Messungen und Analysen erforderlich. 

Nicht weniger wichtig ist die Aufgabenstellung, die zurückgewonnene Energie sinnvoll zu nutzen, um den Primärenergiebedarf zu senken. Zum einen kann die Prozesswärme der Abluft genutzt werden, um die erforderliche Frischluft für den Schmelzofens beziehungsweise die Zuluft im Allgemeinen zu erwärmen. Diese Energiesenke steht jedoch nur bei niedrigen Außentemperaturen zur Verfügung. Es sollten daher weitere Nutzungsmöglichkeiten identifiziert und erschlossen werden, deren Bedarf möglichst gleichförmig zum Betrieb des Schmelzofens anfällt.

Da das flüssige Medium in den Wärmetauschern auf sehr hohe Temperaturen erhitzt werden kann (in der oben genannten Auslegungsrechnung beispielsweise auf 128 bis 145 Grad Celsius), sind vielfältige Nutzungsmöglichkeiten denkbar. Neben dem Einspeisen in Fernwärmenetzwerke oder der Erzeugung von elektrischer Energie mittels Organic-Rankine-Cycle-Technologie (ORC) erscheinen insbesondere Anwendungen interessant, die wiederum mit den Produktionsprozessen verbunden sind.

Beispielsweise kann die Prozesswärme aus der Abluft genutzt werden, um die Aluminiummasseln vorzuwärmen, bevor sie in den Schmelzofen gefüllt werden. Auf diese Weise kann der Energiebedarf für den Schmelzprozess selbst reduziert werden. Wie bei den Technologieanbietern ist hier auch bei den Gießereien ein Wandel zu integriertem Lösungsdenken erforderlich. Die traditionelle Trennung der Verantwortung von Gebäudemanagement, Produktionstechnik und Immissionsschutz erweist sich dabei oftmals als Hemmnis und erfordert neue Formen bereichsübergreifender Planung.

Eine strategische Notwendigkeit

Für Gießereien ist die Steigerung ihrer Energieeffizienz zur strategischen Notwendigkeit geworden. Analysen belegen, dass die Nutzung von Abwärme einer der zentralen Bausteine für Energieeffizienz in Gießereiprozessen ist. Insbesondere die Abluft der energieintensiven Schmelzöfen bietet diesbezüglich ein beeindruckendes Potenzial.

Branchenexperten auf Seiten der Technologieanbieter ebenso wie in den Gießereien arbeiten mit Nachdruck an der Entwicklung integrierter Lösungen aus Wärmerückgewinnung, Abluftreinigung und Wärmenutzung. Für die Erreichung einer verbesserten Energieeffizienz ist eine ganzheitliche Betrachtung der verschiedenen Prozesse innerhalb der Gießerei eine zukunftsweisende Notwendigkeit.

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