Eine Ver­rin­ge­rung der CO₂-Emis­sio­nen im Rah­men der Ener­gie­wen­de ist auch in der Ther­mo­pro­zess­tech­nik unab­ding­bar. Dazu ist neben der Opti­mie­rung der aktu­ell ver­wen­de­ten Behei­zungs­sys­te­me auf Basis von fos­si­len Ener­gie­trä­gern vor allem die Trans­for­ma­ti­on zu alter­na­ti­ven Kon­zep­ten not­wen­dig. Eine Mög­lich­keit zur CO₂-neu­tra­len Behei­zung stel­len elek­tri­sche Behei­zungs­sys­te­me dar, sofern bei der Erzeu­gung des Stroms kei­ne fos­si­len Ener­gie­trä­ger ver­wen­det wer­den. Im Bereich der Pro­zess­wär­me­er­zeu­gung sind die­se elek­tri­schen Behei­zungs­sys­te­me aber im aktu­el­len Stand der Tech­nik nur in gerin­ger Anzahl oder beschränkt auf spe­zi­el­le Anwen­dun­gen (z.B. Licht­bo­gen­ofen) ver­tre­ten. Spe­zi­ell die Wider­stand­ser­wär­mung bie­tet die Mög­lich­keit, in einem wei­ten Spek­trum von Anla­gen ein­ge­setzt zu wer­den. Aktu­ell ste­hen dem brei­ten Ein­satz der Wider­stand­ser­wär­mung noch eini­ge Fra­ge­stel­lun­gen gegen­über. Das Vor­ha­ben “Nach­hal­ti­ge Elek­tri­fi­zie­rung von Ther­mo­pro­zess­an­la­gen – Ena­bEL” ver­folgt die über­ge­ord­ne­te Ziel­set­zung, den Elek­tri­fi­zie­rungs­be­reich von Ther­mo­pro­zess­an­la­gen (Indus­trie­öfen) durch Wider­stand­ser­wär­mung zu erwei­tern. Ins­ge­samt setzt sich das Vor­ha­ben dabei aus den drei eng ver­zahn­ten Teil­pro­jek­ten „High­PowHeat“, „OptiEL­Heat“ und „MatE­L­Heat“ zusam­men und legt den Fokus vor allem auf die Erwei­te­rung des Anwen­dungs­be­reichs von Wider­stan­der­wär­mungs­sys­te­men in Anla­gen mit Anla­gen­leis­tun­gen von bis­her i.d.R. < 1 MW auf Leis­tun­gen bis zu 10 MW oder mehr.

Teil­pro­jekt 1: High­PowHeat — Mach­bar­keits­un­ter­su­chun­gen für hohe elek­tri­sche Anschluss­leis­tun­gen in Ther­mo­pro­zess­an­la­gen mit­tels Widerstandserwärmung

Teil­pro­jekt 2: OptiEL­Heat — Opti­mier­te wär­me­tech­ni­sche Aus­le­gung leis­tungs­star­ker elek­tri­scher Wider­stands­be­hei­zun­gen für kon­vek­ti­ons­do­mi­nier­te Thermoprozessanlagen

Teil­pro­jekt 3: MatE­L­Heat — Unter­su­chun­gen zur mate­ri­al­tech­ni­schen Aus­le­gung elek­tri­scher Wider­stands­be­hei­zun­gen für hybrid beheiz­te Thermoprozessanlagen

Wider­stands­heiz­ele­men­te in einem Ofen

Die Erschlie­ßung bzw. Abde­ckung die­ses erwei­ter­ten Leis­tungs­be­reichs ist, wie bereits beschrie­ben, für die Zie­le im Rah­men der Ener­gie­wen­de erfor­der­lich. Anla­gen, die sich durch gerin­ge Leis­tun­gen, einen wenig kom­ple­xen Auf­bau, simp­len Anfor­de­run­gen an eine Pro­zess­re­ge­lung, kei­nem Abgas­sys­tem und kur­zen Ein­satz­zei­ten pro Jahr aus­zeich­nen, sind bereits elek­tri­fi­ziert. Im Gegen­satz dazu ste­hen groß­in­dus­tri­el­le Anla­gen, die neben deut­lich höhe­ren instal­lier­ten elek­tri­schen Leis­tun­gen auch hohe jähr­li­che Betriebs­zei­ten auf­wei­sen. Dar­aus erge­ben sich Anfor­de­run­gen an wider­stands­ba­sier­te Heiz­ele­ment­sys­te­me für die Anwen­dung in erwei­ter­ten Leis­tungs­be­rei­chen (z.B. Leis­tungs­ein­trag, Ein­satz­dau­er, H₂-rei­che Atmo­sphä­ren), die inten­siv unter­sucht wer­den müs­sen. Ein Bei­spiel dafür ist die Über­hit­zung der ein­zel­nen Heiz­ele­men­te. Ins­be­son­de­re loka­le Über­hit­zun­gen füh­ren häu­fig zu einem vor­zei­ti­gen Aus­fall der Ele­men­te und sind daher mög­lichst zu ver­mei­den. Aus die­sem Grund wird die elek­tri­sche Ener­gie­zu­fuhr sowie die anschlie­ßen­de Wär­me­ab­fuhr über die Ober­flä­che der Ele­men­te in den Teil­pro­jek­ten „High­PowHeat“ und „OptiEL­Heat“ unter­sucht. Gleich­zei­tig folgt aus einer Über­hit­zung und dem resul­tie­ren­den loka­len Tem­pe­ra­tur­an­stieg auch eine stei­gen­de Oxi­da­ti­on der Heiz­ele­ment­ma­te­ria­li­en. Dies führt eben­falls zu einer Beschä­di­gung der Ele­men­te. Die Aus­wir­kun­gen der Tem­pe­ra­tu­ren sowie der Atmo­sphä­ren auf die Mate­ria­li­en der Heiz­ele­men­te wer­den im Teil­pro­jekt „MatE­L­Heat“ untersucht.

Vor die­sen Hin­ter­grün­den spie­len in den drei Teil­pro­jek­ten des Leit­tech­no­lo­gie­vor­ha­bens die Aspek­te der län­ge­ren Nutz­bar­keit der Ele­men­te neben einer Erhö­hung der Leis­tun­gen eine ent­schei­den­de Rol­le. Die­se Zie­le sind nicht unab­hän­gig von­ein­an­der zu unter­su­chen und zu rea­li­sie­ren, son­dern erfor­dern eine gesamt­heit­li­che Betrach­tung sowohl

• der Leis­tungs­ver­sor­gung und ‑elek­tro­nik der Heiz­ele­men­te mit höhe­ren Span­nun­gen sowie den Optio­nen einer Ver­sor­gung mit Wech­sel­span­nung (AC) oder Gleich­span­nung (DC) (Teil­pro­jekt 1, HighPowHeat),
• der ther­mo-/elek­tri­schen Aus­le­gung der in die Öfen inte­grier­ten Heiz­ele­ment­sys­te­me oder Heiß­gaser­zeu­ger (Teil­pro­jekt 2, OptiEL­Heat) als auch
• der Lebens­dau­er von Heiz­ele­ment­ma­te­ria­li­en für den rein elek­tri­schen, aber auch für den hybri­den Betrieb (kom­bi­nier­ter elektrischer/fossiler Betrieb als Brü­cken­tech­no­lo­gie oder spä­ter H₂/Strom) (Teil­pro­jekt 3, MatELHeat).

Die im Leit­tech­no­lo­gie­vor­ha­ben gewon­ne­nen Erkennt­nis­se wer­den zum Abschluss der Pro­jek­te in einem gemein­sa­men Leit­fa­den zusam­men­ge­fasst, um eine ver­bes­ser­te Aus­le­gung sowie einen opti­mier­ten Betrieb der Heiz­ele­men­te zu ermög­li­chen und so die Ver­wen­dungs­mög­lich­kei­ten in der Ther­mo­pro­zess­tech­nik zu erweitern.