Elektrifizierung von Thermoprozessanlagen

Materialuntersuchungen zur Sicherung der Lebensdauer

Die Umstellung der thermischen Prozesse und Anlagentechnik energieintensiver Industrien auf CO2-reduzierte Technologien ist mit Herausforderungen verbunden, denen sich Hersteller und Betreiber von Thermoprozessanlagen aktuell stellen m?ssen. Eine Elektrifizierung der W?rmeprozesse von Industrie?fen k?nnte dazu beitragen, die Abh?ngigkeit von fossilen Energietr?gern zu reduzieren und gleichzeitig die CO2-Emissionen aus Verbrennungsprozessen zu senken. Jedoch entstehen sowohl beim Einsatz von regenerativem Strom zur Elektrifizierung von Prozessen als auch beim hybriden Betrieb von Industrie?fen mit Strom und Wasserstoff neue Fragen etwa zur Beanspruchung der im Ofenbau eingesetzten Materialien. Antworten wollen das Dechema Forschungsinstitut und die OWI Science for Fuels gGmbH im aktuellen Forschungsprojekt “MatELHeat” erarbeiten.

Das Projekt befasst sich mit Materialfragen im Zusammenhang mit der Verwendung metallischer Heizdrahtwerkstoffe in der Widerstandsheizung von Industrie?fen. Dabei werden sowohl herk?mmliche als auch innovative Werkstoffkonzepte untersucht und entwickelt. Die Lebensdauer von Heizelementen sinkt mit steigender Heizleitertemperatur. Zum Beispiel f?hrt im Temperaturbereich von 1.100 ?C bis 1.300 ?C in trockener Luft eine Erh?hung der Heizleitertemperatur von 50 ?C zu einer Verringerung der relativen Lebensdauer von etwa 50 %. Aus unterschiedlichen Gr?nden werden f?r Ofenraumtemperaturen von bis zu 1.200 ?C metallische Heizelemente bevorzugt. Bei hoher Temperatur sind in der Regel Oxidations- oder Korrosionsprozesse urs?chlich f?r den Ausfall von Heizleitern.

Alterung und Lebensdauer der Materialien auf dem Pr?fstand

Im Projekt soll die Korrosion und Alterung der Materialien f?r Widerstandsheizelemente mit geeigneten Korrosionstests gepr?ft werden. Daf?r wird ein Versuchsstand geplant und konstruiert und ein weiterer angepasst. Im hybriden Betrieb von Thermoprozessanlagen mit Strom und Wasserstoff bei hohen Temperaturen beziehungsweise Leistungen im Bereich von 1 MWel bis 10 MWel k?nnen sich Atmosph?ren im Ofenraum entwickeln, deren Einfluss auf die Alterung der Materialien noch nicht bekannt ist. Daher stehen bei den Versuchen Alterungs- und Lebensdauerbetrachtungen im Vordergrund.

Die Projektergebnisse dienen zur Entwicklung von Modellen, die die W?rme?bertragung, die Lebensdauer und die Degradation (Leistungsminderung) beschreiben. Die Modelle werden industriellen Anwendern bereitgestellt, damit sie Betriebsabl?ufe optimieren und anpassen k?nnen, um die Effizienz zu erh?hen. Die Eignung von herk?mmlichen und innovativen metallischen Legierungen f?r Heizleiter zur hybriden Widerstandsbeheizung wird im Ofenlabor unter Versuchsbedingungen gepr?ft, die denen im Betrieb von Industrie?fen mit Strom und Wasserstoff nahekommen. Dies erm?glicht es dem industriellen Anwender, die Energiequellen so auszuw?hlen, dass er die Beheizung flexibel an die Verf?gbarkeit und die Kosten der Energietr?ger anpassen kann.

MatELHeat ist eines von drei Teilprojekten, deren Forschungsergebnisse zur Entwicklung eines Leitfadens zur optimierten Auslegung von Widerstandsheizelementen in Thermoprozessanlagen diesen sollen. W?hrend MatELHeat verbesserte Materialauslegung anstrebt, haben “HighPowerHeat” die Erh?hung der Leistungseintrags und “OptiELHeat” die Optimierung der W?rme?bertragung zum Ziel.

Das IGF-Vorhaben 68 LN der Forschungsvereinigung Forschungskuratorium Maschinenbau e. V. – FKM, Lyoner Str. 18, 60528 Frankfurt am Main, wird ?ber die AiF im Rahmen des Programms zur F?rderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium f?r Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gef?rdert.

Keywords:Elektrifizierung von Thermoprozessanlagen, Industrie?fen, Wasserstoff

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