Das Erwärmen von Rohlingen und dessen Auswirkungen auf die Umwelt

Da sich der Fokus der Welt zunehmend auf die Auswirkungen des Klimawandels und die Umwelt verlagert, nimmt die Industrie dies zur Kenntnis. In fast allen Bereichen des menschlichen Lebens werden reaktive Maßnahmen ergriffen, um gemeinsam das Tempo des Klimawandels einzudämmen – vom Verbot der Nutzung fossiler Brennstoffe bis hin zu höheren Emissionssteuern. Die Umformindustrie bildet da keine Ausnahme: Es werden bereits Schritte in Richtung Umweltfreundlichkeit unternommen, doch es sind noch viele weitere Schritte notwendig, bis eine „grüne Industrie“ etabliert werden kann. Realistisch betrachtet hängt eine „grüne Industrie“ von einer Vielzahl von Faktoren ab, die weit über einen einzelnen Sektor hinausreichen und von diesem nicht ohne Weiteres beeinflusst werden können. Dennoch können kleine Veränderungen an der Basis massive Veränderungen im Gesamtzustand der Umwelt bewirken.

Dieser Artikel soll einige der wichtigsten Faktoren für Umweltbelastungen aufzeigen und Möglichkeiten aufzeigen, wie diese im Zusammenhang mit der Erwärmung von Knüppeln gemindert werden können.

Die Umwelt

Die Eisen- und Nichteisenmetallbranche ist für 8 % der weltweiten Treibhausgasemissionen verantwortlich, mehr als viermal so viel wie der Luftverkehrssektor[1]. Der Hauptfaktor für den Klimawandel ist die Freisetzung von Treibhausgasen[2]. Treibhausgase werden aufgrund des von ihnen verursachten Treibhauseffekts so genannt. Eine isolierende Schicht aus diesen Gasen wie Kohlendioxid (_CO₂), Methan (_CH₄) usw. führt zu einer übermäßigen Wärmeansammlung in der Atmosphäre und damit zu einem Anstieg des Meeresspiegels durch das Schmelzen des Meereises.

Es wird davon ausgegangen, dass die Erde bis 2050 bei der derzeitigen Temperaturanstiegsrate um 3 °C wärmer sein wird als vor der Industrialisierung. Das „2050-Szenario“ geht davon aus, dass ein solcher Temperaturanstieg bis 2100 zu einem Anstieg des Meeresspiegels um etwa 3 Meter führen würde – ein Anstieg, durch den Länder wie die Niederlande weitgehend überflutet würden[3]. Ein vielleicht noch alarmierenderes Szenario ist das der „Treibhaus-Erde“. Diese Hypothese geht davon aus, dass bei einem Temperaturanstieg von 2 °C über das vorindustrielle Niveau hinaus die Auswirkungen irreversibel sind – es gibt keine Maßnahmen mehr, mit denen der Anstieg des Meeresspiegels und die unwiderruflichen Schäden an den Ökosystemen aufgehalten werden könnten. Dieser Wert von 2 °C wurde daher als Richtwert für das Pariser Abkommen festgelegt[4].

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Verfahren zum Erwärmen von Knüppeln

Das Erwärmen von Eisen- und Nichteisen-Knüppeln ist ein energieintensiver Prozess. In der Regel werden Knüppel entweder in Gasöfen oder mittels Induktionserwärmung erhitzt. Beide Verfahren haben sich in der Extrusionsindustrie über viele Jahrzehnte hinweg bewährt und bieten jeweils praktische Vorteile. Um einen aussagekräftigen Vergleich anzustellen, wurden ein gasbeheizter Ofen und eine Induktionsanlage ausgewählt, die beide nominell ähnliche Temperaturen und Massendurchsätze liefern.

†^{1 m³ Erdgas}entspricht bei einem Wirkungsgrad von 100 % etwa 10,28 kW.

Gas & Induktion

Historisch gesehen sind gasbefeuerte Heizgeräte in der Branche allgemein weiter verbreitet. Sie weisen in der Regel geringfügig niedrigere Anschaffungskosten und – je nach Einsatzland – niedrigere Betriebskosten auf. Im dritten Quartal 2020 lagen die durchschnittlichen Kosten pro kWh Gas im Vereinigten Königreich bei 0,180 £. Die durchschnittlichen Stromkosten pro kWh betrugen nach derselben Messgröße 0,810 £[5]. Diese niedrigeren Betriebskosten werden kurzfristig als attraktiv angesehen. Der Ausschuss für Klimawandel schätzt jedoch, dass sich diese Preise bis 2030 drastisch ändern werden. Prognosen deuten auf einen Anstieg des Preises pro kWh Erdgas um 100 % bis 2030 hin, verglichen mit einem Anstieg von 42 % pro kWh Strom im großen verarbeitenden Gewerbe[6]. Diese Diskrepanz wird in anderen europäischen Ländern noch deutlicher.

Gasöfen benötigen eine Vorheizphase, um eine festgelegte Temperatur zu erreichen, bevor die Knüppel erhitzt werden können. Diese Zeit hängt vollständig von der Größe des Ofens sowie von einer geeigneten Wärmedämmung ab. Aus diesem Grund werden Gasöfen in der Regel über lange Zeiträume hinweg bei der gewünschten Temperatur „in Betrieb gehalten“, wobei Energie verbraucht wird, unabhängig davon, ob gerade Knüppel erhitzt werden oder nicht. Bei der Induktionserwärmung hingegen wird Energie nur dann verbraucht, wenn ein Knüppel aktiv erwärmt wird, und es wird im Wesentlichen keine Energie verbraucht, wenn sich ein Knüppel nicht im Erwärmungsprozess befindet. Dies wird von Betreibern von Pressenstraßen manchmal als flexiblere Methode angesehen, da die Zufuhr von erwärmten Knüppeln leichter an die Durchsatzraten der Presse angepasst werden kann, ohne Energie zu verschwenden.

Ein positiver Aspekt der Gasbeheizung ist ihr einfacher Aufbau. Dies kann die Installation und Bedienung durch das Anlagenpersonal erleichtern. Dies wird oft als entscheidender Vorteil angesehen, weshalb sich ein Unternehmen für einen gasbeheizten Erhitzer anstelle einer technologisch fortschrittlicheren Alternative entscheiden könnte. Während die Knüppel den Erhitzer durchlaufen, werden sie durchgehend auf die eingestellte Temperatur homogenisiert. Dies dauert erheblich länger als bei der Induktionserwärmung und kann häufig zu Ablagerungen an der Außenseite der Knüppel führen, was die endgültige Extrusionsqualität beeinträchtigen kann.

Der größte Vorteil der Induktionserwärmung besteht darin, dass sie eine konische Erwärmung ermöglicht. Die konische Erwärmung wird genutzt, um einen Temperaturgradienten über die gesamte Länge eines Barrens zu erzielen – ein entscheidender Faktor für die Verringerung des Verschleißes der Presswerkzeuge sowie für die isotherme Extrusion bei voller Pressgeschwindigkeit. Die Konstruktion von Gasöfen sieht eine Ofenauskleidung vor, die regelmäßig ausgetauscht werden muss; dies kann zu längeren Stillstandszeiten an den Pressenstraßen führen. Ebenso müssen Induktionsspulen ausgetauscht werden, was jedoch in nur etwa dreißig Minuten erledigt werden kann. In den letzten Jahren gab es technologische Fortschritte bei den Systemen zur Abgasrückgewinnung und bei_{CO₂-Abgaswäschern}. Diese ermöglichen jeweils einen höheren Wirkungsgrad und geringere Emissionen.

Andere Methoden

Die Verfahren zur Erwärmung von Knüppeln beschränken sich nicht auf die beiden oben genannten Verfahren. Magnetheizungen und der Einsatz von Supraleitern gewinnen in dieser Branche zunehmend an Bedeutung. Beide Verfahren werden im Gegensatz zu fossilen Brennstoffen mit Strom betrieben.

Auswirkungen auf die Umwelt

Beide im Artikel behandelten Methoden zur Erwärmung von Knüppeln haben aufgrund der Freisetzung von Treibhausgasen negative Auswirkungen auf die Umwelt. Bei der Gasbeheizung_wirddas_CO₂in der Produktionsstätte freigesetzt. Die Induktionserwärmung ist vollständig vom jeweiligen nationalen Stromnetz und damit vom lokalen Energiemix abhängig. Anhand vonAbbildung 1 lassen sichdie potenziellen_{CO₂-Emissionen}für jeden Fall ermitteln.Bei der Verbrennung von Erdgas werden 0,185 kg/kWh_CO₂freigesetzt,während die Stromerzeugung im Vereinigten Königreich 0,256 kg/kWh verursacht[7].

Der große Unterschied zwischen den beiden Verfahren hängt eng mit den Betriebszeiten der jeweiligen Anlagen zusammen – bei der Induktion wird Energie nur pro Knüppel verbraucht. Da Großbritannien seinen Schwerpunkt zunehmend auf erneuerbare Energiequellen verlagert, wird erwartet, dass die_{CO₂-Emissionen}von 0,256 kg/kWh bis zum Jahr 2030 auf 0,100 kg/kWh sinken werden[8].

Wie ausAbbildung 3hervorgeht,sollendieerwarteten_CO₂-Emissionen im Rahmen des britischen Klimakonzepts „Netto-Null bis 2050“ sinken.

Anhand der inden Abbildungen 2 und 3ermittelten Werte lässt sich der erwartete_{CO₂-Ausstoß}über einen Zeitraum von 10 Jahren berechnen.

Die Daten inAbbildung 4basieren auf einem Durchsatz von 1000 kg/h, 16 Stunden pro Tag, 5 Tage pro Woche und 52 Wochen pro Jahr. Diese Werte allein lassen sich aus persönlicher Sicht nicht besonders gut veranschaulichen. Sie lassen sich jedoch wie folgt leichter visualisieren. Eine voll beladene Boeing 747-400 stößt_proFlugstunde und Passagier etwa 90 kg/h_CO₂aus[9]. Die Emissionen einer relativ kleinen gasbefeuerten Knüppelheizung, wie inAbbildung 1dargestellt, über einen Zeitraum von 10 Jahrenentsprechenin etwa dem34-fachenFlug einer Boeing 747 von Heathrow nach JFK. Oderdem 27-fachen Hin- und Rückflug mit einem Aston Martin DB9 zum Mond.

Eine derartige Umweltbelastung ist nicht nachhaltig.

Die Zukunft

Der Markt für die Extrusion von Eisen- und Nichteisenmetallen wächst. Aktuelle Zahlen gehen von einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von 3,8 % zwischen 2021 und 2027[10]für die Aluminiumextrusion aus. Diese prognostizierte CAGR würde einen Anstieg der prognostizierten Marktumsätze von 57,3 Milliarden US-Dollar auf 91,67 Milliarden US-Dollar bis 2027 bedeuten. Dies wird zwangsläufig zu immer größeren Auswirkungen auf die Umwelt führen, je mehr der Sektor wächst.

Die britische Regierung hat kürzlich eine Initiative für die Großindustrie ins Leben gerufen, die Zuschüsse zur Steigerung der Energieeffizienz und zur Verringerung des CO₂-Fußabdrucks vorsieht. In Phase 1 werden bis zu 40 Millionen Pfund für „Projekte zum Einsatz von Technologien, die die Energieeffizienz industrieller Prozesse verbessern“ sowie für „Machbarkeits- und technische Studien zu Energieeffizienz und Maßnahmen zur tiefgreifenden Dekarbonisierung industrieller Prozesse“ bereitgestellt[11]. Andere Länder, wie beispielsweise Norwegen, haben kürzlich eine Vervierfachung des Preises pro Tonne_{ausgestoßenem CO₂}beschlossen[12]. Weitere Entwicklungen im Bereich der Rauchgasrückgewinnung und_{von CO₂-Wäschern}für gasbefeuerte Öfen tragen dazu bei, die Effizienz zu steigern und_{die CO₂-Emissionen}zu senken.

Reaktive Maßnahmen sind das, worauf wir uns als Gesellschaft bisher verlassen haben, aber das ist nichts weiter als ein Pflaster. Wir müssen von reaktiv zu proaktiv wechseln. Wir müssen aktiv Veränderungen vornehmen, die besser für die Umwelt sind. Auf individueller Ebene ist es leicht, sich von den Entscheidungen, die in Bezug auf die Umwelt getroffen werden, zu distanzieren. Wir können die einfachere oder günstigere Option wählen, weil sie eben genau das ist: einfacher und günstiger. Was jedoch schwerer zu ertragen ist, ist der Schaden, den wir unserem Planeten zugefügt haben, zufügen und noch zufügen werden. Aber es können Veränderungen vorgenommen werden, um diesen Schaden aufzuhalten. Die Menschheit steht vor einer Klimakrise. Sie kann gestoppt werden.

Thomas Postins, B.Eng.

Vertriebsleiter Banyard – Inductotherm Heiz- und Schweißtechnik

Weitere Informationen zu Produkten für die Induktionserwärmung von Knüppeln finden Sie unter diesem Link.