Energieeffizienz made in Germany

12.01.2018 -  

Umweltschutz und der sorgsame Umgang mit den natürlichen Ressourcen sind von elementarer Bedeutung im Kampf gegen den Klimawandel. So wird in Deutschland dieser Tage z. B. kaum ein anderes Thema so intensiv diskutiert wie das der Ökobilanz von Kraftfahrzeugen. Die einzelnen Komponenten belastbarer, leichter und langlebiger zu gestalten, dieser Herausforderung hat sich Dr. Stefan Scharf in seiner Promotion gestellt und dabei Wege aufgezeigt, wie die Nutzungsphase eines Fahrzeuges effizienter gestaltet werden kann.

Portrait Dr. Stefan ScharfDr. Stefan Scharf

Das breite Handlungsfeld zur Steigerung der Energieeffizienz weckte das Interesse des jungen Wissenschaftlers vom Institut für Fertigungstechnik und Qualitätssicherung und hielt ihn in der universitären Forschung. Ganzheitlich gesehen, wird die Ökobilanz nämlich durch weitaus mehr bestimmt als das, was hinten aus dem Auspuff kommt. So stellte sich Dr. Scharf der Fragestellung „Wie nachhaltig und energieeffizient ist eigentlich die Produktion der Autoteile?“ und nahm den Herstellungsprozess am Beispiel von Aluminium-Gussteilen genauer unter die Lupe. Einen Partner fand er dabei in der thüringischen Leichtmetallgießerei Bad Langensalza (LGL).

Die Metallverarbeitung ist eine extrem energieintensive Industrie. In mehreren Arbeitsschritten werden z. B. bei der LGL Bauteile für Autos, Motorräder, Vakuumpumpen oder Schiffsmotoren aus Aluminium-Legierungen gegossen. Nach dem Gießen wird das Bauteil in der Regel in einem mehrstufigen Prozess wärmebehandelt, um die vom Kunden geforderten Eigenschaften zu erzielen. Hierzu werden die Bauteile in einem Ofen auf ca. 480 bis 550 Grad Celsius erwärmt und so lange behandelt bis bestimmte Legierungselemente gelöst sind. Anschließend werden die Komponenten möglichst zügig und definiert abgekühlt bevor die finalen Eigenschaften in einem weiteren Behandlungsschritt festgelegt werden. Dieser Prozessschritt erfolgt in einem zweiten Ofen bei Temperaturen im Bereich zwischen 100 und 200 Grad Celsius.

Für das insgesamt sehr anspruchsvolle und zeitintensive Verfahren muss sichergestellt sein, dass die Temperatur in den Öfen sehr nuanciert geregelt werden kann. „Das hört sich trivial an, ist es aber nicht, denn schon wenige Grad Unterschied können die Produkteigenschaften signifikant verändern. Deshalb kommen für die Behandlung fast ausschließlich elektrisch beheizte Öfen zum Einsatz“, erläutert Dr. Scharf. „Vor Beginn der Produktion eines neuen Teils müssen die Gießer also die Eckdaten, wie Temperaturverlauf und Dauer der Behandlung, mit viel Erfahrung, aber auch Geduld experimentell herausfinden, um die gewünschten Produkteigenschaften zu erzielen. Das ist aufwendig.“ Also gleich zwei Stellgrößen, an denen Stefan Scharf ansetzen konnte: die Entwicklung einer energieeffizienten, aber dennoch exakt regulierbaren Ofentechnologie sowie die Berechnung und Simulation der erforderlichen Parameter, sprich Dauer und Temperatur der Wärmebehandlung.

Niederdruckgießanlage Foto LGLIn der Niederdruckgießanlage werden qualitativ hochwertige und sicherheitsrelevante Bauteile (z. B. Fahrwerksteile) gegossen. (Foto: LGL)

Auf der Suche nach einem Partner für die Entwicklung einer neuen Ofentechnologie wurde er bei der Firma Promeos aus Nürnberg fündig. Diese ist spezialisiert auf die Entwicklung flammenfreier Gasbrenner. „Dabei findet die Verbrennung des Gases nicht mehr in der offenen Flamme statt, sondern innerhalb einer Hochleistungskeramik. Die Verbrennungswärme wird also über Strahlung und Konvektion abgegeben und erlaubt eine gleichmäßige und exakte Temperierung“, erklärt Scharf.

Gut für Umwelt und Portemonnaie

In einem gemeinsamen Forschungsprojekt wurde auf Basis dieser Technologie eine neuartige Ofenanlage entwickelt, die den Energieträger Gas so verwerten kann, dass eine Temperaturgenauigkeit, wie sie aus Elektro-Öfen bekannt ist, erzielt wird. Zudem wurden die beiden benötigten Öfen zur Abwärmenutzung miteinander gekoppelt. Im Labor stellte Dr. Scharf die herkömmliche und neue Ofengeneration gegenüber. Dabei konnte er den Nachweis einer Regelgüte in Elektroqualität erbringen. Zudem erwärmt sich der Ofen mit Gas etwa 30 Prozent schneller. Bei einer Differenz von 10 Cent für eine Kilowattstunde durch Gas erzeugter Energie zu einer Kilowattstunde durch Strom erzeugt, ergibt sich allein an dieser Stelle schon ein enormes Sparpotenzial für eine Gießerei. Und auch die CO₂-Bilanz fällt positiver aus. Während bei Strom 579 g/kWh Kohlendioxid-Ausstoß zu Buche schlagen, sind es bei Gas nur 201.

Die zweite Stellgröße, an der Dr. Scharf ansetzte, waren die Parameter für den Wärmebehandlungsprozess. Ein neues Software-Modul ermöglicht es, die Eckdaten für jede Metalllegierung zu berechnen, zu simulieren und zu optimieren. Das Herumprobieren der Gießer kann damit entfallen. Da die Wärmebehandlung in der Metallgießerei gut 20 Prozent der Gesamtherstellung ausmacht, konnten Dr. Scharf und seine Partner ein enormes Potenzial für Kosten- und Energiesenkung aufgedecken. So sind die Kosten um 91 Prozent gesunken, die Emission um 87 Prozent, die Prozessdauer um 60 Prozent und das Einsparpotenzial beim Energieverbrauch liegt bei 63 Prozent. „Energieeffizienz made in Germany“, kommentiert Stefan Scharf nicht ohne ein wenig Stolz.

Doch damit gibt sich der Nachwuchswissenschaftler, der an der Uni Magdeburg Wirtschaftsingenieurwesen studiert und später promoviert hat, nicht zufrieden. Er hat den gesamten Gießprozess im Blick, die gesamte Logistikkette in den Werkhallen soll optimiert werden. „Der Technologieansatz bietet noch sehr viele interessante Anwendungspotenziale“, unterstreicht Dr. Scharf und gibt einen Ausblick in die Zukunft. „Derzeit entwickeln wir ein dezentrales und mobiles Schmelz- und Warmhaltesystem, das künftig eine bedarfsgerechte und effiziente Metallbereitstellung ermöglicht.“

von Maria Scholz

Letzte Änderung: 12.01.2018 - Ansprechpartner: Webmaster