HyperTherm: Entwicklung eines elektrischen Hochleistungsprozessgaserhitzer als Retrofitlösung für Thermoprozessanlagen

Ther­mo­pro­zess­an­la­gen wur­den aus wirt­schaft­li­chen Grün­den in der Ver­gan­gen­heit über­wie­gend mit fos­si­len Brenn­stof­fen, vor allem Erd­gas, direkt oder indi­rekt beheizt. Bei die­sem Pro­zess wer­den CO₂ und ande­re kli­ma­schäd­li­che Gase in die Atmo­sphä­re aus­ge­sto­ßen. Hin­sicht­lich einer geplan­ten Ein­spa­rung von 55% der Treib­haus­gas­emis­sio­nen bis zum Jahr 2030 im Ver­gleich zu 1990 ist die Umrüs­tung sol­cher gas­be­heiz­ter Wär­me­be­hand­lungs­an­la­gen auf alter­na­ti­ve Behei­zungs­me­tho­den mit­tel­fris­tig unum­gäng­lich. Eine nahe­lie­gen­de Lösung zur Ein­spa­rung von CO₂-Emis­sio­nen stellt die elek­tri­sche Behei­zung dar, wel­che im Betrieb kei­ne Scope 1‑Emissionen ver­ur­sacht. Wenn die lang­fris­ti­gen Zie­le der erneu­er­ba­ren Ener­gie­be­reit­stel­lung der elek­tri­schen Ener­gie­wirt­schaft erreicht wer­den, so nähern sich auch die CO₂-Emis­sio­nen in Scope 2 einem Wert von 0 g_CO2/kWh an.

 Die Bereit­stel­lung von Pro­zess­wär­me ist für rund 25% der glo­ba­len CO₂-Emis­sio­nen ver­ant­wort­lich. Die genann­ten Emis­sio­nen tei­len sich dabei zu ca. 17% in den Bereich indus­tri­el­ler Ver­bren­nung und zu ca. 8% in den Bereich indus­tri­el­ler Pro­zes­se auf. Zur Ein­hal­tung der in Deutsch­land defi­nier­ten Kli­ma­zie­le, ist eine Redu­zie­rung der CO₂-Emis­sio­nen erfor­der­lich. Die genann­ten Zah­len bele­gen, dass die Ther­mo­pro­zess­in­dus­trie einen rele­van­ten Bei­trag zu den welt­wei­ten CO₂-Emis­sio­nen leis­tet. Die Emis­si­ons­zie­le im Rah­men der Ener­gie­wen­de stel­len für die­sen Sek­tor eine gro­ße Her­aus­for­de­rung dar.

Die Erzeu­gung CO₂-neu­tra­ler Pro­zess­wär­me kann sowohl mit­tels Nut­zung elek­tri­scher Behei­zungs­tech­no­lo­gien als auch mit­tels Ver­bren­nung rege­ne­ra­tiv erzeug­ter Brenn­stof­fe erfol­gen. Zur Errei­chung einer kli­ma­neu­tra­len Pro­zess­wär­me wird vor­aus­ge­setzt, dass die not­wen­di­ge elek­tri­sche Ener­gie – auch für die Erzeu­gung der Brenn­stof­fe — aus rege­ne­ra­ti­ven Quel­len stammt. Der Haupt­fo­kus bis­he­ri­ger For­schungs­ar­bei­ten hin­sicht­lich der CO₂-Emis­si­ons­re­du­zie­rung liegt auf der Nut­zung koh­len­stoff­frei­er Brenn­stof­fe als Ener­gie­trä­ger und der direk­ten Elek­tri­fi­zie­rung des Anlagenparks.

Ziel des For­schungs- und Ent­wick­lungs­vor­ha­bens als Koope­ra­ti­ons­pro­jekt der Fir­ma Hyper­Heat GmbH und des Insti­tuts für Indus­trie­ofen­bau und Wär­me­tech­nik der RWTH Aachen ist die Ent­wick­lung eines neu­ar­ti­gen elek­tri­schen Hoch­leis­tungs­pro­zess­ga­ser­hit­zer als Retro­fit­lö­sung für die Elek­tri­fi­zie­rung von Ther­mo­pro­zess­an­la­gen. Die­ser bie­tet die Mög­lich­keit, vor­han­de­ne Bren­ner­tech­nik im direk­ten Aus­tausch zu erset­zen, ohne gro­ße Modi­fi­ka­tio­nen an der Anla­ge oder dem Pro­zess durch­füh­ren zu müs­sen. Die Elek­tri­fi­zie­rung der Pro­zes­se bie­tet die Mög­lich­keit, den Aus­stoß der Scope 1‑Emissionen kom­plett zu ver­mei­den. Durch den Ein­satz von Strom aus erneu­er­ba­ren Ener­gien redu­zie­ren sich zudem die Scope 2‑Emissionen in Scope 2.

Sol­len im Retro­fit die Bren­ner ersetzt wer­den, muss ein der Ver­bren­nung ent­spre­chen­der Gas­strom bereit­ge­stellt wer­den. Dies gelingt nur mit Gas­aus­tritts­tem­pe­ra­tu­ren aus dem Pro­zess­ga­ser­hit­zer nahe der adia­ba­ten Flam­men­tem­pe­ra­tur der im Stand der Tech­nik vor­herr­schen­den Ver­bren­nung. Die adia­ba­te Flam­men­tem­pe­ra­tur einer Ver­bren­nung Erd­gas-Luft (Luft­zahl λ = 1,1; Kalt­luft­ein­satz) beträgt 1950 °C. Bei die­sen Tem­pe­ra­tu­ren ist der Ein­satz kera­mi­scher Heiz­ele­men­te not­wen­dig. Der von der Fir­ma Hyper­Heat GmbH ent­wi­ckel­te und paten­tier­te Pro­zess­ga­ser­hit­zer arbei­tet im Gegen­satz zu den Kon­kur­renz­pro­duk­ten mit oxid­ke­ra­mi­schen Heiz­ele­men­ten, wes­we­gen Pro­zess­gas­tem­pe­ra­tu­ren im not­wen­di­gen Tem­pe­ra­tur­be­reich mög­lich sind.