ZeroCO2Glas: Entwicklung einer neuartigen, mit Wasserstoff befeuerten, Glasschmelzwanne mit dem Ziel einer CO₂-neutralen Behälterglasproduktion

Das Gesamt­ziel des Pro­jek­tes ZeroCO2Glas ist es, in einem all­um­fas­sen­den Ansatz einen revo­lu­tio­nä­ren Glas­schmelz­pro­zess in Ver­bin­dung mit einer neu­ar­ti­gen Glas­schmel­z­wan­ne zu ent­wi­ckeln, mit dem sich Glas für die Behäl­ter­pro­duk­ti­on CO₂-neu­tral und mit deut­li­cher Ener­gie­ein­spa­rung erschmel­zen lässt. Die Lauf­zeit des Pro­jek­tes beträgt drei Jah­re und das Pro­jekt wird sei­tens des BMWK geför­dert. An dem For­schungs­vor­ha­ben sind die fol­gen­den Pro­jekt­part­ner beteiligt:

Über­sicht über das Projektkonsortium

Zum Errei­chen der Kli­ma­zie­le müs­sen auch in der ener­gie­in­ten­si­ven Glas­in­dus­trie mas­siv Emis­sio­nen ein­ge­spart wer­den. Das Pro­jekt kon­zen­triert sich dabei auf die Behäl­ter­glas­in­dus­trie, die mit knapp über 50% den größ­ten Anteil der der in Deutsch­land her­ge­stell­ten Glas­pro­duk­ti­on dar­stellt. Je nach Glas­art und Pro­duk­ti­ons­ver­fah­ren ent­fällt beim Her­stel­lungs­vor­gang bis zu 85% des Ener­gie­be­darfs auf den Schmelz­pro­zess: Hier­bei muss das ein­ge­tra­ge­ne Gemen­ge aus Roh­stof­fen und Alt­glas­scher­ben auf eine Tem­pe­ra­tur von 1450 °C bis 1650 °C erhitzt und in ein Glas umge­wan­delt wer­den. Die Glas­wan­nen wer­den meist mit Erd­gas befeu­ert. Dies geschieht in gro­ßen Schmel­z­wan­nen haupt­säch­lich durch erd­gas­be­feu­er­te Bren­ner. Zudem kön­nen die Wan­nen mit einer elek­tri­schen Zusatz­hei­zung aus­ge­stat­tet sein: Dabei wer­den bis zu 20% der Schmelz­leis­tung durch Elek­tro­den ein­ge­bracht, die meist senk­recht in die Glas­schmel­ze hin­ein­ra­gen (sie­he Abbildung).

Quer­be­feu­er­te Glas­wan­ne mit elek­tri­scher Behei­zung [Horn]

Im Rah­men des Pro­jekts soll einen neue, inno­va­ti­ve Schmelz­tech­no­lo­gie ent­wi­ckelt und getes­tet wer­den. Die neu­ar­ti­ge Glas­schmel­z­wan­ne soll im Ver­gleich zu her­kömm­li­chen Schmelz­ag­gre­ga­ten 15% weni­ger Ener­gie benö­ti­gen. Dies wird durch die Ver­wen­dung eines alter­na­ti­ven, kar­bo­nat­frei­en Gemen­ges zur Ver­mei­dung der roh­stoff­be­ding­ten CO₂-Emis­sio­nen mit nied­ri­ge­rer Schmelz­enthal­pie erreicht. Ande­rer­seits ver­rin­gert sich der Ener­gie­be­darf durch die ver­zicht­ba­re Befeuch­tung der Ein­satz­stof­fe und Ver­rin­ge­rung der Ver­weil­zeit. Eben­falls sol­len durch den Wech­sel auf Was­ser­stoff-Oxy­fuel Ver­bren­nung die ener­gie­be­ding­ten CO₂-Emis­sio­nen ein­ge­spart werden.

Am Insti­tut für Indus­trie­ofen­bau wer­den im Rah­men des Pro­jekts expe­ri­men­tel­le Unter­su­chun­gen und nume­ri­sche Simu­la­tio­nen des Ver­bren­nungs­raums im Oberofen sowie der Glas­schmelz­strö­mung im Unter­ofen durch­ge­führt. Ziel der Arbeits­pa­ke­te 4 und 5 ist der Auf­bau eines akku­ra­ten Simu­la­ti­ons­mo­dells sowie die Unter­su­chung der Ein­flüs­se wei­te­rer Para­me­ter, um schließ­lich ein Best-Case Sze­na­rio für die Pilot­wan­ne zu ent­wer­fen.
Für die CFD-Simu­la­ti­on der Ver­bren­nung wer­den daher zunächst eta­blier­te Model­le mit­tels Vali­die­rung an einem Bren­ner­prüf­stand auf ihre Anwend­bar­keit bei Was­ser­stoff-Oxy­fuel Ver­bren­nung über­prüft und gege­be­nen­falls ange­passt. Im Anschluss erfolgt die Simu­la­ti­on der Pilot­wan­ne. Nach erfolg­rei­chen Vali­die­rungs­mes­sun­gen wer­den dann anhand vom CFD-Modell die Ein­flüs­se wei­te­rer Para­me­ter wie bei­spiels­wei­se dem Nei­gungs­win­kel der Bren­ner oder der Leis­tungs­ver­tei­lung auf den Schmelz­pro­zess und die Ener­gie­ef­fi­zi­enz unter­sucht.
Die Ein­flüs­se des erhöh­ten Anteils der elek­tri­schen Schmelz­leis­tung sowie des Unter­bad­ein­le­gers auf die Strö­mung inner­halb der Glas­schmel­ze wer­den phy­si­ka­lisch sowie nume­risch unter­sucht. Zu die­sem Zweck wird zunächst ein phy­si­ka­li­sches Acryl­glas-Modell der Pilot­wan­ne anhand der Ähn­lich­keits­theo­rie aus­ge­legt. In die­sem wird die Strö­mung eines der Glas­schmel­ze ähn­li­chen Modell­fluids mit­tels Par­tic­le Image Velo­ci­me­try (PIV) unter­sucht. Des Wei­te­ren wird ein CFD-Modell des Acryl­glas-Prüf­stan­des auf­ge­baut und mit den expe­ri­men­tel­len Ergeb­nis­sen vali­diert. Die Erkennt­nis­se der phy­si­ka­li­schen und nume­ri­schen Simu­la­ti­on des Modell­fluids flie­ßen anschlie­ßend in die CFD-Simu­la­ti­on der Glas­schmel­ze ein. Das zwei­te nume­ri­sche Modell bil­det den Unter­ofen der Pilot­wan­ne ab und ermög­licht die Strö­mungs­un­ter­su­chung inner­halb der Glas­schmel­ze: Unter ande­rem wird der Ein­fluss des Unter­bad­ein­le­gers im Ver­gleich zum kon­ven­tio­nel­len Gemen­ge­auf­le­gen auf das Schmelz­bad ermit­telt, aber auch die Leis­tungs­ver­tei­lung der Elek­tro­den im Hin­blick auf eine ver­bes­ser­te ther­misch indu­zier­te Strö­mungs­füh­rung optimiert.