Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Einsatzmöglichkeiten der dezentralen Sauerstofferzeugung an Industrieöfen

Ziel des Projekts ist es, die technischen und wirtschaftlichen Einsatzmöglichkeiten einer dezentralen Sauerstoffherstellung mittels MIEC-Membranen (MIEC - Mixed Ionic Electronic Conductor) an Industrieöfen der Eisen- und Nichteisenmetallindustrie zu untersuchen und ihr Potential zu Erhöhung von Energieeffizienz und Wirtschaftlichkeit sowie zur CO2-Reduktion zu bewerten. Dazu sollen Anlagenkonzepte für die Einbindung einer Sauerstoff-Membrananlage in Industrieöfen entwickelt und verschiedene Einsatzszenarien mit einem energetischen Modell bewertet werden.

Die Beheizung der Sauerstoff-Membrananlage soll mit Prozessabwärme oder Erdgas anstelle der konventionellen elektrischen Beheizung erfolgen, da dies die Energieeffizienz, Wirtschaftlichkeit und Abgasemissionen entscheidend verbessert. Es soll geprüft werden, ob dezentral hergestellter Sauerstoff einen stabilen Anlagenbetrieb gewährleistet und aufgrund einer weniger aufwändigen Gasherstellung und dem Wegfall des Transports wirtschaftlicher ist und somit für Industrieöfen mit einem geringen O2-Verbrauch (≥ 1 m³(i.N.)/h und << 5000 m³(i.N.)/h) eine Alternative zur konventionellen Beheizung mit Erdgas und vorgewärmter Verbrennungsluft darstellt.

Die Ergebnisse des geplanten Vorhabens ermöglichen es Industrieofenbetreibern, den Sauerstoffbedarf ihrer Industrieöfen zum Teil oder vollständig mittels eigener Herstellung zu decken. In Verbindung mit dem Entfall von aufwendiger O2-Logistik entsteht eine wesentliche Kostenersparnis gegenüber Rein-Sauerstoff. Die Technologie ist insbesondere für KMU von hoher Relevanz, da diese aufgrund ihrer Produktionskapazitäten (Sauerstoffbedarf << 5000 m³(i.N.)/h) bisher keine Möglichkeit haben, Sauerstoff in Ihren Produktionsprozessen technisch und wirtschaftlich einzusetzen. Der Einsatz der neuen Technologie wird es damit KMU erstmals ermöglichen, von den Vorteilen des Sauerstoffeinsatzes in Verbrennungsprozessen wie Brennstoffeinsparung und Produktivitätssteigerung zu profitieren.

Ergebniszusammenfassung:

Die Anreicherung von Verbrennungsluft mit Sauerstoff (O2) steigert den feuerungstechnischen Wirkungsgrad und senkt die CO2-Emissionen. Eine dezentrale Sauerstoffversorgung für kleine bis mittlere Durchsätze kann mit MIEC-Membrananlagen realisiert werden, wodurch der Transportaufwand und die Lagerung vermieden wird.

Es wurden Massen- und Energieströme für verschiedene Einsatzszenarien bestimmt und Anlagenkonzepte für die Einbindung von O2-Membrananlagen in gasbeheizten Industrieöfen entwickelt.

Ein Versuchsstand zur Abtrennung von Sauerstoff aus Luft wurde am Institut für Industrieofenbau aufgebaut und in Betrieb genommen. Das Fraunhofer IKTS stellte die Membranen für den Versuchsstand her. Die Beheizung von MIEC-Membrananlagen erfolgte bisher elektrisch. In diesem Forschungsvorhaben wird die Beheizung mit vorhandener Abwärme aus Verbrennungsprozessen über einen Wärmeübertrager sowie die Verbrennung von Erdgas in einem Strahlheizrohr untersucht.

Experimentelle Untersuchungen mit Erdgasbeheizung sind erfolgt. Die Ergebnisse sind ausgewertet und dargestellt. Die Anlage wurde hinsichtlich der Energie- und Massenbilanz analysiert. Im Verlauf der vorgenannten Untersuchungen kam es zum Defekt des Membranbesatzes. Mögliche Fehlerursachen werden diskutiert, die genaue Ursache ist jedoch nicht sicher feststellbar. Die Untersuchungen bestätigen dennoch die prinzipielle Machbarkeit einer Beheizung mit einem Strahlheizrohr. In der angewendeten Konfiguration kommt es allerdings hinsichtlich der Temperaturhomogenität zu Abweichungen, die bei zukünftigen Anwendungen durch konstruktive Anpassungen zu minimieren sind.

Abschließend ist die technische und wirtschaftliche Gesamtbetrachtung dokumentiert.

Diese Ergebnisse bieten die Grundlage, die Beheizungssysteme für Membrananlagen besser zu bewerten und einzuschätzen. Weitere Projekte und zukünftige Demonstratoren profitieren von den modellbasierten und experimentellen Ergebnissen des Forschungsprojekts.