Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Durch das Projekt soll der Energiebedarf und die CO2 Emission bei der Herstellung von Umformteilen gesenkt werden. Dies wird notwendig, da zum einen die Energiekosten weiterhin steigen werden, und zum anderen die Energiemenge, die in der deutschen Massivumformung zur Erw\u00e4rmung ben\u00f6tigt werden sehr hoch ist (ca. 1250 GWh\/a elektrisch; der Prim\u00e4renergiebedarf ist ca. 3-mal so hoch).
\nWeiterhin zeichnen sich die Prozesse der Massivumformung verfahrensbedingt durch einen hohen Material\u00fcberschuss aus (bis zu 40%), was bedingt durch den hohen Energieanteil f\u00fcr die Stahlerzeugung zu weiteren Energieverlusten f\u00fchrt.<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenZur L\u00f6sung der geschilderten Situation wurden 2 Wege verfolgt:
\n1.\tMaterialreduzierung (Reduzierung des Material\u00fcberschuss)
\n2.\tSteigerung der Energieeffizienz
\nDurch den Arbeitspunkt Materialreduzierung wurde validiert, ob und wie sich Regeln in allgemeing\u00fcltiger Form herleiten lassen, um so einen bestm\u00f6glichen Materialwirkungsgrad erreichen zu k\u00f6nnen. Dazu sind aufbauend auf bew\u00e4hrten Formenordnungen f\u00fcr Massivumformprodukte die Potentiale der einzelnen Massivumformverfahren unter Ber\u00fccksichtigung geeigneter Werkzeugkonzepte und Halbzeuge entwickelt und bewertet worden.
\nDurch den Arbeitspunkt Steigerung der Energieeffizienz wurden die Wege zur
\nA.\tNutzung der Prozessw\u00e4rme zur Erzeugung elektrischer Energie
\nB.\tReduzierung des Energiebedarfs bei der Erw\u00e4rmung
\nC.\tR\u00fcckf\u00fchrung und Nutzung der erheblichen Energiemengen aus der Prozessw\u00e4rme in den Produktionsprozess
\nentwickelt und bewertet.<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Zu 1. Materialreduzierung: Auf Basis eines repr\u00e4sentativen Teilespektrums (RTS) und einer entwickelten Formenordnung wurden optimale Verfahrenswege und Werkzeugtechnologien im Sinne einer Benchmark bewertet. Auf dieser Grundlage wurde eine Potentialabsch\u00e4tzung durchgef\u00fchrt mit dem Ergebnis, dass das RTS ein erwartetes Optimierungspotential von 803 to\/a Stahl hat, was einer Prim\u00e4renergiereduzierung von 6,87 GWh\/a und einer CO2-Reduzierung von 1.271 to\/a entspricht. Hochgerechnet auf die Branche Massivumformung ergibt sich ein erwartetes Einsparpotential von 106.080 to\/a Stahl, was einer Prim\u00e4renergiereduzierung von 908 GWh\/a und einer CO2-Reduzierung von 167.967 to\/a entspricht. F\u00fcr die \u00dcbertragung der Ergebnisse in die Praxis konnte eine Verfahrens- und Technologieregel abgeleitet werden, die den Umformbetrieben hilft, die o.g. Potentiale zu heben. Die Umsetzbarkeit wird derzeit dadurch eingeschr\u00e4nkt, weil oftmals die erforderlichen Fertigungseinrichtungen in den Betrieben fehlen.
\nZu 2.: Zur Steigerung der Energieeffizienz wurden im Rahmen des Projektes 3 Wege verfolgt:
\nBei der Sammlung und Leitung von Prozessenergie konnten auf Grundlage von Str\u00f6mungsversuchen und CFD-Berechnungen verschiedene Energiesammelmodule entwickelt und bewertet werden mit dem Ergebnis, dass von der abgreifbaren Prozessw\u00e4rme eines Musterprozesses (ca. 240 kWh\/to) ca. 24 bis 52 % gesammelt und einer Nutzung zugef\u00fchrt werden k\u00f6nnen.
\nF\u00fcr die Umwandlung von gesammelter Prozessenergie in elektrischen Strom wurden die Konzepte Stirling-Motor, ORC-Verfahren und thermoelektrische Generatoren (TEG) untersucht und technologisch sowie wirtschaftlich bewertet. Aufgrund der erreichbaren Prozessw\u00e4rmetemperatur, des Wirkungsgrades der Wandlersysteme (ca. 5 bis 10% der zugef\u00fchrten Energie), der Anlagenkosten und der derzeitigen Stromkosten ist keines der Systeme derzeit sinnvoll einsetzbar. Aufgrund der rasanten Entwicklung der TEGs bzgl. Kosten und Wirkungsgrad bieten diese Systeme allerdings f\u00fcr die Massivumformung ein Potential f\u00fcr die Zukunft.
\nAlternativ wurden auch mobile Latentw\u00e4rmespeicher betrachtet. Diese Art der thermischen Zwischenspeicherung ist unter heutigen Bedingungen bereits wirtschaftlich. Die Prozessw\u00e4rme k\u00f6nnte mit einem Anteil von bis zu 46% einer erneuten Nutzung zugef\u00fchrt werden. Das entspricht einem theoretischen Einsparpotential an Prim\u00e4renergie von 348 GWh\/a und einer CO2-Reduzierung von 92.295 to\/a.
\nF\u00fcr die alternative Erw\u00e4rmung von Stahl auf Basis der HTS-Technologie wurden Messungen an einer bestehenden Anlage und theoretische Berechnungen durchgef\u00fchrt sowie ein Anlagenlayout f\u00fcr die Stahlerw\u00e4rmung entwickelt und bewertet mit dem Ergebnis, dass HTS- Erw\u00e4rmungsverfahren aufgrund der deutlich h\u00f6heren Investitionskosten und der sehr langen Taktzeit (bedingt durch die automatische Einzelteilerw\u00e4rmung) f\u00fcr Stahlwerkstoffe derzeit keine wirtschaftlich darstellbare Alternative zur induktiven Erw\u00e4rmung ist. Ein Vorteil der HTS-Technologie ist seine Schnelligkeit; wegen der kurzen Verweildauer des einzelnen Werkst\u00fccks im Ofen ist mit weniger Zunderbildung zu rechnen.
\nBei der R\u00fcckf\u00fchrung von Prozessenergie in den Prozess zur Vormaterialerw\u00e4rmung wurde ein Durchstr\u00f6mungsmodul mit anschlie\u00dfender Temperaturhomogenisierungsstrecke (und gleichzeitiger Temperaturerh\u00f6hung mit Gas) auf Basis der Jet-Heating-Technologie entwickelt und bewertet, mit dem Ergebnis, dass von der r\u00fcckf\u00fchrbaren Prozessw\u00e4rme ca. 50% genutzt werden kann. Das entspricht zusammen mit der Ausgleichsstrecke einem theoretischen Einsparpotential an Prim\u00e4renergie von 1.192 GWh\/a und einer CO2-Reduzierung von 212.481 to\/a.<\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
Bereits w\u00e4hrend der Projektlaufzeit erfolgte die Verbreitung von Zwischenergebnissen in nachfolgender Weise: Fachaufsatz in der Zeitschrift Schmiede Journal 3\/2010, Bericht im IMU-Arbeitskreis Schmiedeleiter 2009 u. 2010, Bericht im IMU-Ausschuss Forschung und Technik 2009 u. 2010, Bericht im WSM-Arbeitskreis Energie 2010. In 2011 ist die Verbreitung der Vorhabenergebnisse in nachfolgender Weise vorgesehen: IMU\/VDMA-Fachtagung Ressourceneffizienz in der Massivumformung am 3.\/4. Mai 2011 in Hagen, Pr\u00e4sentation der Ergebnisse in der IMU-Faktendatenbank, Fachaufsatz in der Zeitschrift Schmiede Journal Herbst 2011.<\/p>\n
Fazit<\/p>\n
Durch das Vorhaben konnten Ans\u00e4tze entwickelt und auf Umsetzbarkeit hin gepr\u00fcft werden, um den Prim\u00e4renergiebedarf und die CO2 Emission bei der Herstellung von Warmumformteilen zu reduzieren. Es konnte gezeigt werden, dass der Prim\u00e4renergiebedarf und die CO2 Emission signifikant reduziert werden k\u00f6nnen. Die Ergebnisse des Vorhabens geben f\u00fcr die Branche Massivumformung die Leitlinien f\u00fcr eine betriebliche Umsetzung vor.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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