Der nächste Schritt zur klimaneutralen Gießerei
13.07.2023 Nachhaltigkeit & CO2-Neutralität Wärmebehandlung und Gussteilnachbehandlung Expertenwissen

Der nächste Schritt zur klimaneutralen Gießerei

Studien zeigen, dass der Energiebedarf von Gießereien zu 40 Prozent durch Wärmerückgewinnung gedeckt werden könnte, ein Potenzial, das aktuell nur zur Hälfte genutzt wird. Und das trotz zunehmendem Druck zur CO2-Reduktion und steigenden Energiepreisen. Um die Energieeffizienz zu steigern, müssen Gießereien die Wärmerückgewinnung, aber auch die Prozesswärme und effiziente Belüftung nutzen.

KMA Umwelttechnik
Darstellung zur Energiekostenverteilung in Gießereien Bild 1: Energiekostenverteilung in Gießereien. 
Der Leitfaden der Deutschen Energie-Agentur „Systematische Energieeffizienz steigern und CO2-Emissionen senken in der Gießerei-Industrie“ bringt es auf den Punkt: Energieeffizienz ist das Fundament der Klimaneutralität. Man kann diese Aussage noch weiter fassen: Energieeffizienz ist das Fundament für die Wettbewerbsfähigkeit von Gießereien. Denn neben der Reduktion von CO2-Emissionen ermöglicht Energieeffizienz eine bedeutende Kosteneinsparung ebenso wie eine Entkoppelung von steigenden Energiepreisen und drohenden Versorgungsengpässen. 

Es überrascht daher nicht, dass die Branche mit Hochdruck nach Lösungsansätzen sucht, um die Energieeffizienz der Gießereien zu optimieren. Die relevanten Stellschrauben sind bekannt (s. Bild 1). Während viele Gießereien erste Maßnahmen eingeleitet haben, um ihren Energieverbrauch zu reduzieren, arbeiten die Branchenexperten und Maschinenhersteller intensiv an der Entwicklung zukunftsweisender Lösungskonzepte und energieeffizienten Technologien.  
Die Nutzung von Prozesswärme, die effiziente Be- und Entlüftung und die Senkung des Verbrauchs an Heizungsenergie stellen zentrale Ansatzpunkte für Maßnahmen zur Energieeffizienzsteigerung dar. Die Kombination von Abluftmanagementsystemen und der Erhaltung beziehungsweise die Rückgewinnung von Abwärme bietet großes Potenzial – nicht nur wie vielerorts praktiziert im Zusammenhang mit der emissionsbelasteten Abluft aus dem Gießprozess – sondern auch an den energieintensiven Schmelzöfen.

Studien zeigen, dass die bestehen¬den Abwärmepotenziale in Gießereien heute nicht einmal zur Hälfte genutzt werden, beziehungsweise dass etwa 40 Prozent des Energiebedarfs von Gießereien bei geeigneten Lösungsansätzen über Wärmerückgewinnung gedeckt werden könnten.

Der Anlagenbauer KMA Umwelttechnik realisiert unter anderem Projekte für die Abluftreinigung und die Wärmerückgewinnung an Schmelzöfen und gibt Einblick in die Entwicklungen. 
Schema des dezentralen Abluftfiltersystems Bild 2: Das dezentrale Abluftfiltersystem ist als energieeffizientes Verfahren in vielen Gießereien weltweit im Einsatz. 

Energieeffiziente Abluftbehandlung an Druckgießmaschinen sind bewährte Praxis

Im Hinblick auf die emissionsbelastete Abluft aus dem Gießprozess sind die möglichen Energieeinsparungen durch Abluftfiltersysteme verbunden mit Wärmerückgewinnung innerhalb der Branche bekannt und bereits für Gießereien aller Größen etabliert. Am Beispiel des Druckgussverfahrens wird die belastete Produktionsabluft idealerweise direkt an der Emissionsquelle erfasst, beispielsweise mit Hilfe von Raucherfassungshauben über der Druckgießmaschine. 

Die Abluft kann nach der Abluftreinigung mit bewährten elektrostatischen Filtergeräten unmittelbar im Umluftbetrieb in die Produktionshalle zurückgeführt werden (s. Bild 2). Dank der realisierten Reinluftqualität ist nur noch ein deutlich geringerer Austausch mit Frischluft erforderlich. Dies senkt den Energieaufwand für Zu- und Abluftanlagen erheblich. Gleichzeitig werden die Energiekosten für das Heizen bei niedrigen Außentemperaturen minimiert. 
Schema des bei der Firma Stihl Magnesium installierten zentralen Wärmerückgewinnungssystems Bild 3: Schema des bei der Firma Stihl Magnesium installierten zentralen Wärmerückgewinnungssystems. 
Bei alternativen Abluftreinigungsverfahren wird die Produktionsabluft über eine Raucherfassung an der Hallendecke abgesaugt und zu einer zentralen Filteranlage geführt. Integrierte Wärmerückgewinnungssysteme entziehen dabei der Produktionsabluft die thermische Energie und können so die kalte, von außen zugeführte, Frischluft durch Wärmetauscher energieeffizient erwärmen. 

Die Magnesium-Gießerei von Stihl (s. Bild 3) erwärmt so auch in den Wintermonaten die Frischluft auf konstante 18 Grad, spart die Kosten für konventionelle Energieträger wie Strom und Gas und 85 Prozent der CO2-Emissionen gegenüber einer herkömmlichen Hallenheizung ein.

Ausbau von Schmelzkapazitäten erhöht Energiebedarf

Anders verhält es sich bei den Schmelzöfen. Gießereien im Aluminium-Druckguss nutzen überwiegend gasbeheizte Schmelzöfen, um das Aluminium zu schmelzen. In der Vergangenheit wurden zentrale Schmelzöfen verwendet, um die Schmelze dann von dort zu den Warmhalteöfen und Dosierungen an den einzelnen Druckgießmaschinen zu verteilen.

Mit dem neuen Trend zum Gießen sehr großer Bauteile oder dem Mehrformenguss (sogenannte Giga-Casting oder Mega-Casting) und dem damit verbundenen hohen Verbrauch an Schmelze, werden zunehmend auch dezentrale Schmelzöfen eingesetzt. Vom modernen Schachtschmelzofen bis zum Dosierofen werden eigene durchgängige Versorgungslinien für einzelne oder mehrere Druckgießmaschinen verwirklicht, um Gussteile mit einem Dosiergewicht von bis zu 160 Kilogramm zu realisieren. Mit dem Ausbau der Gießkapazität geht ein Ausbau der Schmelzkapazität einher und damit wiederum der Energiebedarf. 

Sowohl beim Bestand als auch bei geplanten Neuinvestitionen rückt das Potenzial der Energieeffizienz der erdgasbetriebenen Schmelzöfen nun in den Fokus. Mit einem Anteil von etwa 80 Prozent ist Erdgas der wesentliche Energieträger für den Betrieb von Schmelzöfen. Aufgrund des durchschnittlichen Verbrauchs von 19,5 Gigawattstunden pro Jahr sind Nichteisen-Metallgießereien besonders durch die Energiepreissteigerungen im Jahr 2022 auf das Dreifache und mehr im Vergleich zu 2021 sowie zusätzlich drohenden Versorgungsengpässen gefährdet.

Die Dringlichkeit für einen energieeffizienten Betrieb von Schmelzöfen zeigt sich an dem regen internationalen Interesse an neuen nachhaltigen Lösungsansätzen in der Branche. 
Wir verzeichnen ein starkes Interesse nach nachhaltigen Wärmerückgewinnungsmaßnahmen für Schmelzöfen. Unsere Kunden fordern einen grünen Fußabdruck, das heißt nicht nur Nachhaltigkeit im Sinne von Energieeffizienz, sondern auch durch reduzierte CO2-Emissionen. In aktuellen Kundenprojekten ist der nachhaltige Betrieb von Schmelzöfen im Fokus unserer Projektplanung.
Hans Henrik Würtz, CEO von STØTEK A/S

Potenzial für die Wärmerückgewinnung ist beeindruckend

Insbesondere die in der Abluft der Schmelzöfen enthaltene Prozesswärme rückt derzeit in das Bewusstsein vieler Gießereien. Moderne Schachtschmelzöfen für den Aluminiumdruckguss haben beispielsweise bei einer Schmelzkapazität von 3,5 Tonnen ein Abluftvolumen von bis zu 20 000 Kubikmeter pro Stunde. Diese Abluft besitzt je nach Füll- und Betriebszustand des Ofens unterschiedliche Temperaturen. Sie reichen im Allgemeinen von 180 bis 300 Grad Celsius. Im Mittel kann eine Temperatur von etwa 240 Grad Celsius angenommen werden. 
Darstellung des Potenzials anhand von exemplarischen Auslegungsrechnungen für mehrstufige Lamellen-Wärmetauscher mit Solarflüssigkeit bei einem Abluftvolumen von 20 000 Kubikmeter pro Stunde Tabelle 1: KMA Umwelttechnik, für vierstufige Lamellenwärmetauscher aus rostfreiem Stahl.
Die Prozessenergie, die auf diese Weise aus der Abluft zurückgewonnen werden kann, ist beeindruckend. Sie hängt von verschiedenen Faktoren ab. Auf der einen Seite sind dies insbesondere Abluftmenge und Ablufttemperatur, das heißt, die verfügbare Prozessenergie. Auf der anderen Seite sind es insbesondere das Verfahren der Wärmerückgewinnung und die Vorlauftemperatur des für die Wärmeaufnahme genutzten Mediums, wie Wasser oder Solarflüssigkeit.

Das Potenzial kann anhand von exemplarischen Auslegungsrechnungen für mehrstufige Lamellen-Wärmetauscher mit Solarflüssigkeit bei einem Abluftvolumen von 20 000 Kubikmeter pro Stunde gezeigt werden (s. Tabelle 1).
Eine gemäß den exemplarischen Auslegungsrechnungen mittlere Energierückgewinnung von jährlich 2,7 Megawattstunden entspricht in etwa einem Verbrauch von 270 000 Kubikmeter Erdgas beziehungsweise bei einem Gaspreis von neun Cent je Kilowattstunde einem Wert von jährlich 243 000 Euro. Im Falle höherer Schmelzkapazitäten und einem entsprechend höheren Abluftvolumen wächst auch das Potenzial für die Energierückgewinnung.

Wenn es gelingt, über die Wärmerückgewinnung den Verbrauch an Erdgas zu reduzieren, so winken vielerorts neben dem Beitrag zur Umsetzung der Nachhaltigkeitsziele zusätzliche Kostensenkungspotenziale bei den CO2-Abgaben. Selbst wenn statt Erdgas alternative Energieträger wie Strom oder Wasserstoff für den Betrieb des Schmelzofens eingesetzt werden – die Prozesswärme auf Dauer ungenutzt mit der Abluft zu emittieren ist in den aktuellen Zeiten nur schwer vorstellbar.

Integrierter Lösungsansatz für Wärmerückgewinnung und Abluftreinigung notwendig

Um dieses Potenzial der Wärmerückgewinnung dauerhaft erschließen zu können, ist eine geeignete Verfahrenstechnik und Abluftreinigung erforderlich, da die Abluft der Schmelzöfen mit Emissionen belastet ist. Sie enthält eine Staubfracht, die wiederum in Abhängigkeit vom Betriebszustand und beispielsweise dem Zusatz von Salzen zur Aufbereitung der Schmelze von 5 Milligramm pro Stunde bis zu einem Vielfachen davon reichen kann.

Die Staubfracht schlägt im Laufe des Betriebs im Wärmetauscher nieder. Die Verschmutzung verringert zunächst die Wärmeleitfähigkeit und damit den Wirkungsgrad der Wärmetauscher. Schließlich bewirkt sie, dass Bereiche der Wärmetauscher verstopfen und die Anlage dadurch blockiert wird. Der Wärmetauscher muss daher regelmäßig gereinigt werden. Um hohe Staubemissionen in die Umwelt zu vermeiden, ist zudem eine wirksame Reinigung der Abluft erforderlich. 

Da Abluftfilter im Allgemeinen nicht bei sehr hohen Temperaturen betrieben werden können, müssen sie in der Verfahrensreihenfolge hinter der Wärmerückgewinnung angeordnet werden. Der Abluftfilter muss ebenfalls regelmäßig von der abgeschiedenen Staubfracht befreit beziehungsweise gereinigt werden. Eine weitere Herausforderung besteht darin, dass sich insbesondere als Folge des Verbrennungsprozesses und der zugesetzten Salze saure Substanzen bilden können, die korrosiv auf den Wärmetauscher und den Abluftfilter wirken können.
Schema des Systems Bild 4: Das System bietet eine ganzheitliche Lösung für Abluftreinigung und Wärmrückgewinnung bei geringem Platzbedarf:  Für ein Abluftvolumen von 20.000 Kubikmeter pro Stunde besitzt die Anlage einen „Fußabdruck“ von etwa. 2 x 3 Meter. 
Bei der Wärmerückgewinnung sollte daher darauf geachtet werden, die Abluft nicht unter den Taupunkt abzukühlen und damit Kondensation zu vermeiden. Ebenso ist auf eine geeignete Auswahl langlebiger Materialien zu achten. Die hohen Temperaturen der Abluft sowie die je nach Betriebszustand möglichen Schwankungen der Ablufttemperaturen erfordern schließlich eine geeignete Planung der Abluftrohrleitungen, insbesondere um der temperaturabhängigen Ausdehnung des Materials Rechnung zu tragen.

Bei der Auswahl einer geeigneten technischen Lösung gilt es also verschiedene Herausforderungen zu lösen. Das maßgebliche Problem für die Gießereien dürfte jedoch darin bestehen, dass die Technologieanbieter bislang kaum ganzheitliche Lösungen für Wärmerückgewinnung und Abluftreinigung für emissionsbelastete Abluft mit hohen Temperaturen anbieten. 
An diesem Punkt setzt die Lösung von KMA Umwelttechnik an. Mit dem ULTRAVENT® System werden Funktionsbausteine modular kombiniert. So können leistungsstarke Wärmetauscher und elektrostatische Abscheider platzsparend in einer Anlage verbaut werden. Dieser integrierte Ansatz wird weltweit bereits in verschiedenen Industrien mit anspruchsvollen Einsatzbedingungen erfolgreich angewendet. 

Die Anlage wird vertikal von unten nach oben durchströmt. Die heiße Abluft wird zunächst durch mehrstufige Lamellen-Wärmetauscher aus Edelstahl geführt. Dort wird die Prozesswärme auf ein flüssiges Medium übertragen. So kann beispielsweise Wasser auf bis zu 95 Grad Celsius oder Solarflüssigkeit auf bis zu 145 Grad Celsius erhitzt werden. Gleichzeitig wird die Temperatur der Abluft nahe über den Taupunkt abgesenkt. Die Anzahl der Wärmetauscherstufen wird bedarfsgerecht ausgelegt und kann entsprechend variieren. 

Im nächsten Abschnitt der Anlage wird die Abluft durch einen mehrstufigen elektrostatischen Filter aus Edelstahl geführt. Die in der Abluft enthaltenen Partikel werden dort hochwirksam abgeschieden. Der sehr geringe Luftwiderstand des elektrostatischen Filters trägt maßgeblich zur hohen Energieeffizienz der Lösung bei. Über die Anzahl der Stufen kann die anforderungsgerechte Abscheideleistung flexibel ausgelegt werden.

Mit einem vierstufigen elektrostatischen Filter können beispielsweise auch hohe Emissionslasten von 150 Milligramm pro Kubikmeter auf weniger als zwei Milligramm pro Kubikmeter reduziert werden. Gleichzeitig beträgt der Druckverlust von vier Filterstufen insgesamt nur etwa 130 Pascal. Der für die Förderung der Abluft benötigte Energieeinsatz ist damit sehr gering. Wie beschrieben müssen Wärmetauscher und Abluftfilter regelmäßig von dem angesammelten Staub gereinigt werden.

Reinigung mit Zirkulationspumpe 

An dieser Stelle kommt das Nassreinigungssystem der Anlage zum Einsatz. In einem Wasserbehälter wird eine Waschlösung aus Wasser mit einem gering dosierten Reinigungsmittel erwärmt. Durch eine Zirkulationspumpe wird sie zu verschiedenen Ebenen der Anlage gefördert und dort über motorisch angetriebene Düsenstöcke in alle Bereiche der Wärmetauscher und der elektrostatischen Filter gesprüht.

Das Wasser fließt durch die Schwerkraft zurück zum Wasserbehälter und nimmt dabei Verunreinigungen aus der Anlage mit. Um das Reinigungssystem im Falle hoher Staubfracht zu schützen wird das zurücklaufende Wasser über einen Bandfilter geführt. Im Filtervlies des Bandfilters wird der Staub zurückgehalten und in einen Auffangbehälter abgeschieden, bevor das Wasser erneut über die Zirkulationspumpe in die Anlage gefördert wird. Der geringe Platzbedarf ist eine weitere Stärke des integrierten Ansatzes für Wärmerückgewinnung und Abluftreinigung. 

Energiebetrachtung als neue Aufgabenstellung für die Gießereien

Gießereien besitzen bislang in der Regel nur wenige Informationen über die Abluft an den von ihnen betriebenen oder geplanten Schmelzöfen. Abluftvolumina und Ablufttemperaturen aber auch die Menge und die Charakteristika der in der Abluft enthaltenen Emissionen wurden in der Vergangenheit vielfach nicht systematisch untersucht. Für die richtige Auslegung von Wärmerückgewinnung und Abluftreinigung werden daher nun entsprechende Messungen und Analysen erforderlich. 

Nicht weniger wichtig ist die Aufgabenstellung, die zurückgewonnene Energie sinnvoll zu nutzen, um den Primärenergiebedarf zu senken. Zum einen kann die Prozesswärme der Abluft genutzt werden, um die erforderliche Frischluft für den Schmelzofens beziehungsweise die Zuluft im Allgemeinen zu erwärmen. Diese Energiesenke steht jedoch nur bei niedrigen Außentemperaturen zur Verfügung. Es sollten daher weitere Nutzungsmöglichkeiten identifiziert und erschlossen werden, deren Bedarf möglichst gleichförmig zum Betrieb des Schmelzofens anfällt.

Da das flüssige Medium in den Wärmetauschern auf sehr hohe Temperaturen erhitzt werden kann (in der oben genannten Auslegungsrechnung beispielsweise auf 128 bis 145 Grad Celsius), sind vielfältige Nutzungsmöglichkeiten denkbar. Neben dem Einspeisen in Fernwärmenetzwerke oder der Erzeugung von elektrischer Energie mittels Organic-Rankine-Cycle-Technologie (ORC) erscheinen insbesondere Anwendungen interessant, die wiederum mit den Produktionsprozessen verbunden sind.

Beispielsweise kann die Prozesswärme aus der Abluft genutzt werden, um die Aluminiummasseln vorzuwärmen, bevor sie in den Schmelzofen gefüllt werden. Auf diese Weise kann der Energiebedarf für den Schmelzprozess selbst reduziert werden. Wie bei den Technologieanbietern ist hier auch bei den Gießereien ein Wandel zu integriertem Lösungsdenken erforderlich. Die traditionelle Trennung der Verantwortung von Gebäudemanagement, Produktionstechnik und Immissionsschutz erweist sich dabei oftmals als Hemmnis und erfordert neue Formen bereichsübergreifender Planung.

Energetische Schwachpunkte traditioneller Abluftfiltration an Schmelzofen 

In vielen Gießereien wird die Abluft bestehender Schmelzöfen noch immer ohne weitere Maßnahmen zur Abluftreinigung emittiert. Anderenfalls werden überwiegend Beutelfilter eingesetzt, um die Stäube aus der relativ trockenen Abluft mechanisch abzuscheiden. Dafür muss die Temperatur der Abluft jedoch im Allgemeinen vor dem Eintritt in den Filter gesenkt werden. 

Dazu wird in der Regel über eine Zugunterbrechung am Ausgang des Schmelzofens Umgebungsluft mit angesaugt und damit eine niedrigere Mischtemperatur erzeugt. Das Gesamtvolumen der zu filternden Luft wird dadurch erhöht. Dieser Ansatz ist etabliert, besitzt jedoch technische Nachteile: die in der Abluft enthaltene Prozesswärme wird verworfen. Im Gegenteil wird das Gesamtvolumen der Abluft erhöht, sodass Rohrleitungen, Filter und Ventilatoren entsprechend größer ausgelegt werden müssen und die Betriebskosten steigen.

Die mechanischen Beutelfilter stellen ein Hindernis für die durchströmende Luft dar und verursachen einen relativ hohen Druckverlust, was zu einem entsprechend hohen Energieverbrauch für die Ventilatoren führt. Auch der Platzbedarf für die Aufstellung der Beutelfilteranlagen steigt dadurch – insbesondere bei historisch gewachsenen Produktionsstandorten ein typischer Engpass.

Eine strategische Notwendigkeit

Für Gießereien ist die Steigerung ihrer Energieeffizienz zur strategischen Notwendigkeit geworden. Analysen belegen, dass die Nutzung von Abwärme einer der zentralen Bausteine für Energieeffizienz in Gießereiprozessen ist. Insbesondere die Abluft der energieintensiven Schmelzöfen bietet diesbezüglich ein beeindruckendes Potenzial.

Branchenexperten auf Seiten der Technologieanbieter ebenso wie in den Gießereien arbeiten mit Nachdruck an der Entwicklung integrierter Lösungen aus Wärmerückgewinnung, Abluftreinigung und Wärmenutzung. Für die Erreichung einer verbesserten Energieeffizienz ist eine ganzheitliche Betrachtung der verschiedenen Prozesse innerhalb der Gießerei eine zukunftsweisende Notwendigkeit.

 Literatur

1. Deutsche Energie-Agentur (Hrsg.) (dena, 2021): „Systematisch Energieeffizienz steigern und CO2-Emissionen senken in der Gießerei-Industrie“ Seite 3
2. Deutsche Energie-Agentur (Hrsg.) (dena, 2021): „Systematisch Energieeffizienz steigern und CO2-Emissionen senken in der Gießerei-Industrie“ Seite 8
3. Deutsche Energie-Agentur (Hrsg.) (dena, 2021): „Systematisch Energieeffizienz steigern und CO2-Emissionen senken in der Gießerei-Industrie“ Seite 34
4. Deutsche Energie-Agentur (Hrsg.) (dena, 2021): „Systematisch Energieeffizienz steigern und CO2-Emissionen senken in der Gießerei-Industrie“ Seite 37
5. Deutsche Energie-Agentur (Hrsg.) (dena, 2021): „Systematisch Energieeffizienz steigern und CO2-Emissionen senken in der Gießerei-Industrie“ Seite 6
6. Deutsche Energie-Agentur (Hrsg.) (dena, 2021): „Systematisch Energieeffizienz steigern und CO2-Emissionen senken in der Gießerei-Industrie“ Seite 8
7. Giesserei (2021): „Best Practice: Leistungsstarke Wärmerückgewinnung“
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Autor

Friederike Schmedding

Friederike Schmedding

KMA Umwelttechnik GmbH