Die feuerfeste Auskleidung von Gefäßen in der Stahlindustrie muss in kurzen Abständen neu auf gebracht und dann getrocknet, also erwärmt werden. Wie macht man diesen Prozess energieeffizient und zeitsparend? Das Ingenieurbüro Bierkämper hat die Lösung für die großen Stahlkonzerne: Indem man als Energie quelle Strom statt Gas verwendet und die Stromheizelemente intelligent positioniert. Das neue Verfahren überzeugt ökonomisch und ökologisch: Die Dauer des Prozesses wird stark beschleunigt, es wird 85 Prozent weniger Energie benötigt und 40 Prozent der Energiekosten werden
eingespart. Zudem kann nun regenerative Energie genutzt werden.
Flüssiger Stahl hat eine Temperatur von mehr als 1 500 Grad Celsius. Wenn Stahl im Stahlwerk zur Weiterverarbeitung
transportiert wird, läuft die Stahlschmelze in Stahlrinnen und -gefäßen mit einer feuerfesten Auskleidung. Die feuerfeste Auskleidung hat mehrere Schichten, wobei die innere Schicht in direkten Kontakt mit dem Stahl kommt. Dieses sogenannte »Arbeitsfutter« besteht aus Mineralsand und einem Bindemittel und muss alle 6 bis 9 Stunden erneuert werden, um die angrenzenden Bauteile vor Hitze und Verschleiß zu schützen. Um den Binder zu aktivieren, wird die Schicht durch Zufuhr von heißer Luft für mehrere Stunden auf über 150 °Celsius erwärmt – der sogenannte »Back
prozess«.
Die Energiequelle für diese Heißluftzufuhr sind üblicherweise Erdgasbrenner, das Verfahren ist bereits seit etwa 40 Jahren bei den großen Stahlkonzernen etabliert. Doch ein kleines Unternehmen bietet eine alternative Idee mit großen Auswirkungen auf Energieverbrauch, Zeitaufwand und Nachhaltigkeit: Die Bierkämper GmbH aus Hamm hat mit Unterstützung der DBU ein energiesparendes Verfahren entwickelt, um das »Arbeitsfutter« durch elektrische Heizelemente zu erwärmen. Diese werden direkt in die sogenannte Schablone integriert, die die feuerfeste Schicht
zunächst in Form hält und nach dem »Backen« entfernt wird.
Die Bierkämper GmbH ist ein Ingenieurbüro für Stahl- und Anlagenbau. Die erste Idee, den herkömmlichen Gasbrenner-Backprozess grundlegend zu überarbeiten und zu elektrifizieren, kam hier schon Ende der 2010er Jahre auf. Daher wurde der ganze Prozess thermodynamisch untersucht und darauf aufbauend ein erstes Patent angemeldet. Zu diesem Zeitpunkt gab es jedoch noch keine konkreten Kunden. Das Bild änderte sich mit der Gaspreiskrise, ausgelöst durch den russischen Angriffskrieg gegen die Ukraine. Plötzlich gab es Kundeninteresse und die Möglichkeit, den Prozess in verschiedenen Stahlwerken zu erproben. Allerdings: Zuvor sollte eine Prototypenanlage die Umsetzbarkeit belegen, denn im Dauerbetrieb der Stahlproduktion muss absolute Prozesssicherheit gewährleistet sein. Die Investitionskosten einer solchen Versuchsanlage wurden mit bis zu einer Million Euro veranschlagt – eine große Herausforderung für die Bierkämper GmbH. Mithilfe einer DBU-Förderung wurden zunächst Vergleichsdaten aus dem herkömmlichen Prozess
in acht Stahlwerken erhoben und eine Prototypenanlage mit Sandwich-Heizelementen im verkleinerten Maßstab 1:5
entwickelt. Das neue, eMould genannte Verfahren, wurde dann in einem Stahlwerk unter realistischen Bedingungen
ausführlich getestet und die Betriebsdaten mit denen des herkömmlichen Verfahrens verglichen. Aus dem Projekt resultierte zudem ein weiteres Patent.
Der herkömmliche Backprozess dauert je nach Form, die ausgekleidet wird, etwa 2,5 Stunden und verbraucht bis zu 2 Megawattstunden Energie in Form von Erdgas. Im Vergleich dazu ist die neue Schutzschicht mit dem eMould-System bereits nach einer halben Stunde »gebacken«, die Form kann also deutlich schneller wieder eingesetzt werden. Dafür werden etwa 0,3 Megawattstunden Strom verbraucht. Bei einem Gaspreis von 30 bis 35 Euro/MWh und einem Industriestrompreis von 110 bis 120 Euro/MWh zeigt sich: Durch das neue Verfahren lassen sich rund 40 Prozent der Energiekosten für diesen Prozessschritt vermeiden. Bei steigender CO₂-Bepreisung wird der Kostenvorteil noch deutlicher.
Ebenso würde sich ein niedrigerIndustrie strompreis positiv auswirken. Bezogen auf fünf der untersuchten Musterwerke ließen sich durch eMould pro Jahr insgesamt 3,2 Millionen Kubikmeter Erdgas einsparen. Das entspricht der Energiemenge für die Heizung von rund 2 000 Einfamilien häusern. Bei Nutzung von Strom aus regenerativen Quellen würden so auch mehr als 6 000 Tonnen klimaschädliches Kohlendioxid eingespart.
Projektdurchführung
Bierkämper GmbH
Thorsten Bierkämper
Carl-Zeiss-Straße 5
59077 Hamm
DBU-AZ: 34622
Förderzeitraum: 21.09.2020 – 31.10.2023