Verbesserung der CO2-Bilanz von Hochtemperatur-Prozessen: Das erforscht das Projekt PaKerNaT aus der BMBF-Fördermaßnahme KlimPro-Industrie
Durch neuartige Materialien aus Keramik sollen Energieverluste in Industrieöfen reduziert und somit Kohlendioxid-Emissionen eingespart werden.
Industrielle Wärmebehandlungsprozesse, die bei Temperaturen oberhalb von 1000 °C ablaufen, sind für den überwiegenden Teil des Energieverbrauchs in Branchen wie der Glas- und Keramikindustrie oder der Eisen- und Stahlindustrie sowie in der chemischen Industrie verantwortlich.
Um Energieeinsparungen zu erreichen, setzt das Projekt PaKerNat (Papiertechnische Keramikkomponenten für nachhaltige Thermoprozesse) bei der Ofenisolierung an. Diese soll durch im Ofen platzierte Strahlungsschirme verbessert werden. Im Projekt werden dafür neuartige, keramische Strahlungsschirme entwickelt. Zudem sollen mit der neuen Technologie auch sogenannte Brennhilfsmittel, das heißt Tragstrukturen für die im Ofen erwärmten Produkte wie zum Beispiel Glasprodukte hergestellt werden. Aufgrund des geringeren Gewichts der neuartigen Bauteile und damit der zu erwärmenden Masse kann so zusätzlich Energie eingespart werden. Das Projekt setzt dabei auf Verfahren, die in der Papierherstellung eingesetzt werden und die effiziente Herstellung von flächigen Strukturen von Keramik ermöglichen. Dazu sollen Papiere während des Herstellungsprozesses (als sogenannte Papierpulpen, das heißt wässrige Fasermassen) soweit mit keramischen Füllstoffen angereichert werden, dass sie nach der Formgebung mittels eines anschließenden Brennprozesses in keramische Werkstoffe umgewandelt werden können. In diesem Zusammenhang wird von papierabgeleiteten, keramischen Strukturen gesprochen.
Um die Verwendung solcher Strukturen in Hochtemperaturprozessen zu ermöglichen, müssen geeignete Rohstoffe wie anorganische Füllstoffe, Bindemittel und Additive entwickelt und die Geometrie der Teile auf makro- (zum Beispiel Dicke, Anzahl von Schichten) sowie auf mikroskopischer Ebene (Porosität) ausgelegt werden. Dabei spielen mechanische und wärmetechnische Eigenschaften der zu entwickelnden Strukturen eine Rolle. Mit dem neuartigen Verfahren sollen Platten, zylindrische Elemente und Verbindungselemente hergestellt werden.
Für die vorgesehene industrielle Herstellung der Strahlungsschirme und Brennhilfsmittel ist die Entwicklung robuster und kostengünstiger Prozesse notwendig, die zudem später auf eine Herstellung im industriellen Maßstab vergrößert werden können.
Hierzu müssen entsprechende Parameter der Verarbeitung, der Entfernung der Bindemittel (Entbinderung) sowie der Verfestigung bei sehr hohen Temperaturen (Sinterung) der Teile bestimmt werden, die eine sichere und energieeffiziente Herstellung der Produkte ermöglichen.
Durch diese Entwicklungen sollen neuartige Werkstoffe für die Thermoprozesstechnik erzeugt werden, die großtechnisch kostengünstig herstellbar sind. Der Einsatz der Strahlungsschirme und der Ersatz von herkömmlichen Brennhilfsmitteln durch die neuen papiertechnisch hergestellten Keramiken lassen in Deutschland Brennstoffeinsparungen von nahezu vier Peta Joule und umgerechnet etwa 220 Tausend Tonnen CO2-Emissionen des Brennstoffeinsatzes erwarten.
Da Isolierungen und Brennhilfsmittel während der langjährigen Lebensdauer der Öfen häufig ausgetauscht werden, könnten sich die Verbesserungen bereits kurz- und mittelfristig auf die CO2-Bilanz der Thermoprozesse auswirken.
Das BMBF fördert PaKerNaT mit 1,35 Millionen Euro.
Projektleitung:
Dr. Holger Friedrich
Fraunhofer ISC, Zentrum für Hochtemperatur-Leichtbau HTL, Bayreuth
Gottlieb-Keim-Str. 62
95448 Bayreuth
Tel.: 0921 78510-300
E-Mail: holger.friedrich@isc.fraunhofer.de
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