HT-Heiz: Entwicklung neuartiger Widerstandsheizelemente durch innovative Werkstoff- und Verfahrenskombinationen

Im Jahr 2020 lag der Bedarf an Erd­gas als Ener­gie­quel­le in der Indus­trie bei 324 TWh, dies ent­spricht 31 % des deut­schen Gesamt­be­darfs. Hin­sicht­lich einer geplan­ten Ein­spa­rung von 55 % der Treib­haus­gas­emis­sio­nen im Jahr 2030 im Ver­gleich zu 1990 ist die Umrüs­tung gas­be­heiz­ter Wär­me­be­hand­lungs­an­la­gen auf alter­na­ti­ve Behei­zungs­me­tho­den lang­fris­tig unum­gäng­lich. Hin­zu kommt der durch gestie­ge­ne Pri­mär­ener­gie­kos­ten ent­ste­hen­de Druck auf die Indus­trie sowie eine per­spek­ti­vi­sche Ver­rin­ge­rung der Abhän­gig­kei­ten vom fos­si­len Energiemarkt.

Eine Umstel­lung der Behei­zung auf elek­tri­sche Sys­te­me mit Strom aus erneu­er­ba­ren Quel­len ermög­lichst die größt­mög­li­che Reduk­ti­on der CO₂-Emis­sio­nen, auch im Ver­gleich zu einer Was­ser­stoff­be­hei­zung. Zudem ver­ur­sacht eine elek­tri­sche Behei­zung kei­ne direk­ten CO₂-Emis­sio­nen im Pro­duk­ti­ons­be­trieb, wodurch Unter­neh­men die Kos­ten für CO₂-Zer­ti­fi­ka­te ein­spa­ren und die Kon­kur­renz­fä­hig­keit im inter­na­tio­na­len Wett­be­werb ver­bes­sert wird. Außer­dem vor­teil­haft sind die fle­xi­blen geo­me­tri­schen Anpas­sungs­mög­lich­kei­ten elek­tri­scher Heiz­ele­men­te. Von der Umstel­lung des Behei­zungs­sys­tems wür­den ins­be­son­de­re Indus­trie­ofen­bau­un­ter­neh­men, Dienst­leis­ter für die Auto­ma­ti­sie­rung und Pro­zess­mo­del­lie­rung sowie auch Unter­neh­men jen­seits der metall­ver­ar­bei­ten­den Indus­trie profitieren.

In eini­gen Anwen­dungs­fel­dern, wie z.B. bei Vaku­um­öfen im Batch-Betrieb, sind elek­tri­sche Behei­zungs­sys­te­me mit Wider­stands­heiz­ele­men­ten bereits eta­bliert. In vie­len Anla­gen (bei­spiels­wei­se Rol­len­herd­öfen) sind Wider­stands­heiz­ele­men­te jedoch auf­grund der an die Sys­te­me gestell­ten Anfor­de­run­gen nicht ver­füg­bar oder noch nicht eta­bliert. Pro­ble­ma­tisch ist ins­be­son­de­re die mecha­ni­sche Bean­spru­chung der Heizelemente.

Sche­ma­ti­scher Auf­bau eines Heizschichtsystems

Im Rah­men des ange­streb­ten For­schungs­vor­ha­bens soll daher ein neu­ar­ti­ges Heiz­ele­ment ent­wi­ckelt wer­den, wel­ches die Pro­zess­an­for­de­rung nach mecha­ni­scher Sta­bi­li­tät bei gleich­zei­tig aus­rei­chen­dem und gleich­mä­ßi­gem Wär­me­ein­trag in den Pro­zess erfüllt. Eine erfolgs­ver­spre­chen­de Metho­de zur Her­stel­lung die­ser Heiz­ele­men­te stellt das soge­nann­te ther­mi­sche Sprit­zen (TS) dar. TS ermög­licht das Auf­tra­gen von dün­nen, flä­chi­gen Schich­ten auf ein metal­li­sches bzw. kera­mi­sches Trä­ger­ma­te­ri­al. Ins­ge­samt setzt sich das mit­tels ther­mi­schem Sprit­zen appli­zier­te Heiz­ele­ment (sie­he Abbil­dung) als Schicht­sys­tem aus zwei iso­lie­ren­den und einer dazwi­schen­lie­gen­den, leit­fä­hi­gen Schicht zusam­men. Die Schicht, die der mecha­ni­schen Belas­tung aus­ge­setzt wird, kann dabei aus einem che­misch und mecha­nisch wider­stands­fä­hi­gen Werk­stoff auf­ge­baut wer­den. Es gibt zwar bereits ers­te erfolg­rei­che Anwen­dun­gen des TS, wie z.B. im Alu­mi­ni­um­guss, jedoch ist der Ein­satz von TS-Heiz­sys­te­men in der Ther­mo­pro­zess­tech­nik bis­her weder durch­ge­führt noch wis­sen­schaft­lich unter­sucht wor­den. Ins­be­son­de­re Fra­gen zum maxi­mal mög­li­chen Wär­me­ein­trag pro Flä­che, der elek­tri­schen Kon­tak­tie­rung für ein mög­lichst homo­ge­nes Erwär­mungs­pro­fil oder zur che­mi­schen und mecha­ni­schen Belast­bar­keit im vor­ge­se­he­nen Anwen­dungs­be­reich sind noch offen. Dies umfasst Tem­pe­ra­tu­ren bis 1.150°C und unter­schied­li­che Atmo­sphä­ren, die sich aus den ange­spro­che­nen poten­ti­el­len Anwen­dungs­fäl­len ableiten.