Projekt 26966/01

Systematische Identifikation von Möglichkeiten zur Energieeffizienzsteigerung in Betrieben der Massivumformung

Projektträger

Industrieverband Massivumformung e. V.
Goldene Pforte 1
58093 Hagen
Telefon: 02331/958832

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

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 Erwärmung benötigt werden sehr hoch ist (ca. 1250 GWh/a elektrisch; der Primärenergiebedarf ist ca. 3-mal so hoch).
Weiterhin zeichnen sich die Prozesse der Massivumformung verfahrensbedingt durch einen hohen Materialüberschuss aus (bis zu 40%), was bedingt durch den hohen Energieanteil für die Stahlerzeugung zu weiteren Energieverlusten führt.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenZur Lösung der geschilderten Situation wurden 2 Wege verfolgt:
1. Materialreduzierung (Reduzierung des Materialüberschuss)
2. Steigerung der Energieeffizienz
Durch den Arbeitspunkt Materialreduzierung wurde validiert, ob und wie sich Regeln in allgemeingültiger Form herleiten lassen, um so einen bestmöglichen Materialwirkungsgrad erreichen zu können. Dazu sind aufbauend auf bewährten Formenordnungen für Massivumformprodukte die Potentiale der einzelnen Massivumformverfahren unter Berücksichtigung geeigneter Werkzeugkonzepte und Halbzeuge entwickelt und bewertet worden.
Durch den Arbeitspunkt Steigerung der Energieeffizienz wurden die Wege zur
A. Nutzung der Prozesswärme zur Erzeugung elektrischer Energie
B. Reduzierung des Energiebedarfs bei der Erwärmung
C. Rückführung und Nutzung der erheblichen Energiemengen aus der Prozesswärme in den Produktionsprozess
entwickelt und bewertet.


Ergebnisse und Diskussion

Zu 1. Materialreduzierung: Auf Basis eines repräsentativen Teilespektrums (RTS) und einer entwickelten Formenordnung wurden optimale Verfahrenswege und Werkzeugtechnologien im Sinne einer Benchmark bewertet. Auf dieser Grundlage wurde eine Potentialabschätzung durchgeführt mit dem Ergebnis, dass das RTS ein erwartetes Optimierungspotential von 803 to/a Stahl hat, was einer Primärenergiereduzierung 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 Primärenergiereduzierung von 908 GWh/a und einer CO2-Reduzierung von 167.967 to/a entspricht. Für die Übertragung 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 eingeschränkt, weil oftmals die erforderlichen Fertigungseinrichtungen in den Betrieben fehlen.
Zu 2.: Zur Steigerung der Energieeffizienz wurden im Rahmen des Projektes 3 Wege verfolgt:
Bei der Sammlung und Leitung von Prozessenergie konnten auf Grundlage von Strömungsversuchen und CFD-Berechnungen verschiedene Energiesammelmodule entwickelt und bewertet werden mit dem Ergebnis, dass von der abgreifbaren Prozesswärme eines Musterprozesses (ca. 240 kWh/to) ca. 24 bis 52 % gesammelt und einer Nutzung zugeführt werden können.
Für 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 Prozesswärmetemperatur, des Wirkungsgrades der Wandlersysteme (ca. 5 bis 10% der zugeführten 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 für die Massivumformung ein Potential für die Zukunft.
Alternativ wurden auch mobile Latentwärmespeicher betrachtet. Diese Art der thermischen Zwischenspeicherung ist unter heutigen Bedingungen bereits wirtschaftlich. Die Prozesswärme könnte mit einem Anteil von bis zu 46% einer erneuten Nutzung zugeführt werden. Das entspricht einem theoretischen Einsparpotential an Primärenergie von 348 GWh/a und einer CO2-Reduzierung von 92.295 to/a.
Für die alternative Erwärmung von Stahl auf Basis der HTS-Technologie wurden Messungen an einer bestehenden Anlage und theoretische Berechnungen durchgeführt sowie ein Anlagenlayout für die Stahlerwärmung entwickelt und bewertet mit dem Ergebnis, dass HTS- Erwärmungsverfahren aufgrund der deutlich höheren Investitionskosten und der sehr langen Taktzeit (bedingt durch die automatische Einzelteilerwärmung) für Stahlwerkstoffe derzeit keine wirtschaftlich darstellbare Alternative zur induktiven Erwärmung ist. Ein Vorteil der HTS-Technologie ist seine Schnelligkeit; wegen der kurzen Verweildauer des einzelnen Werkstücks im Ofen ist mit weniger Zunderbildung zu rechnen.
Bei der Rückführung von Prozessenergie in den Prozess zur Vormaterialerwärmung wurde ein Durchströmungsmodul mit anschließender Temperaturhomogenisierungsstrecke (und gleichzeitiger Temperaturerhöhung mit Gas) auf Basis der Jet-Heating-Technologie entwickelt und bewertet, mit dem Ergebnis, dass von der rückführbaren Prozesswärme ca. 50% genutzt werden kann. Das entspricht zusammen mit der Ausgleichsstrecke einem theoretischen Einsparpotential an Primärenergie von 1.192 GWh/a und einer CO2-Reduzierung von 212.481 to/a.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Bereits während 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, Präsentation der Ergebnisse in der IMU-Faktendatenbank, Fachaufsatz in der Zeitschrift Schmiede Journal Herbst 2011.


Fazit

Durch das Vorhaben konnten Ansätze entwickelt und auf Umsetzbarkeit hin geprüft werden, um den Primärenergiebedarf und die CO2 Emission bei der Herstellung von Warmumformteilen zu reduzieren. Es konnte gezeigt werden, dass der Primärenergiebedarf und die CO2 Emission signifikant reduziert werden können. Die Ergebnisse des Vorhabens geben für die Branche Massivumformung die Leitlinien für eine betriebliche Umsetzung vor.

Übersicht

Fördersumme

220.000,00 €

Förderzeitraum

26.03.2009 - 31.12.2010

Bundesland

Nordrhein-Westfalen

Schlagwörter

Klimaschutz
Ressourcenschonung
Umweltforschung
Umwelttechnik