6,5 Milliarden Tonnen – so viel Material wird jedes Jahr in der Metall-, Glas-, Keramik-, Kalk- und Zementindustrie verarbeitet. Das hat einen hohen Preis: 19,2 % des weltweiten CO₂-Ausstoßes stammen aus dieser Branche.
Der Ersatz von erdgasbetriebenen Brennern durch elektrisch betriebene PLASMA-Brenner stellt für Industrie-Schmelzöfen nicht nur einen technischen Fortschritt in Bezug auf Effizienz und Prozessqualität dar, sondern ermöglicht eine enorme CO2-Einsparung in diesen industriellen Prozessen.
Die Mission: Aluminium klimaneutral schmelzen
Nach umfassender Analyse hat das Team von TPS den Fokus zur Einführung der neuen Technologie auf das Schmelzen von Sekundäraluminium gelegt – ein zentraler Prozess in der Kreislaufwirtschaft. Das Ziel: fossile Brennstoffe durch eine saubere, effiziente und zukunftsfähige Technologie ersetzen.
Die Lösung dafür ist ein elektrisch angesteuerter Plasmabrenner, der nicht nur die Leistung in den Schmelzofen einbringt, sondern auch sehr genau steuerbar ist, sodass der Schmelzprozess optimiert werden kann.
Von der Idee zum Einsatz
Der Weg dahin ist klar definiert:
- Konstruktion der Ansteuerungseinheit
- Simulation und Optimierung
- Aufbau, Test und Evaluierung
Für die Ionisierung von Gasen (z.B. Argon, Stickstoff) über magnetische Felder werden entsprechende Induktorspulen eingesetzt, die über die feuerfesten Gasrohre gestülpt werden. Diese Induktoren werden von leistungselektronischen Konvertern über Resonanzkreise mit hohen Frequenzen versorgt. Der Frequenzbereich liegt dabei je nach Leistung im RF-Bereich.
Die Erzeugung solcher Frequenzen mit Leistungen bis über 1 MW pro Einheit stellt besondere Anforderungen an das Design der Konverter. Moderne wide-bandgap-Halbleiter mit Siliziumcarbid und Gallium-Nitrid erlauben es nunmehr herkömmliche Hochfrequenz-Leistungsverstärker durch hocheffiziente leistungselektronische Konverter zu ersetzen. Damit können auch die bisherigen Leistungsgrenzen (typisch <100kW) gesprengt werden.
FH JOANNEUM hat bereits 2012 begonnen, Konverter mit wide-bandgap Transistoren zu entwickeln. Bei den seither durchgeführten F&E Projekten lag der Fokus stets darauf, die Grenzen hinsichtlich der Schaltfrequenzen bei gleichzeitigem Erhalt des hohen Wirkungsgrades auszuloten. Dieses über Jahre aufgebaute Know-How soll nun im Projekt ICPIH umfassend genutzt werden, um auch bei den hohen Ausgangsfrequenzen Ausgangsleistungen über 1 MW zu erzielen. Kompakte Baugröße und ein hoher Wirkungsgrad werden dabei wiederum als die obersten Designziele gesehen.
Bei den leistungselektronischen Konvertern für das Projekt ICPIH handelt es sich um ein hervorragendes Beispiel für mechatronische Systeme als komplexe Kombination aus Software (Embedded sowie Applikationsnahe), Elektronik-Hardware als auch Mechanik für Kühlung und allgemeiner Aufbautechnik.
