Optimierung der Fahrweise von Tunnel- und Durchlauföfen

Thermische Prozesse wie Trocknen und Brennen werden in vielen Branchen eingesetzt und gleichzeitig relevante Energieverbraucher. In der Ziegel- und Keramikindustrie zum Beispiel werden häufig Trockner und Öfen im Wärmeverbund gefahren. Auch in der Nahrungsmittelindustrie werden Durchlauföfen für Prozesse wie Backen und Rösten eingesetzt. Aber auch spezielle Produktionsverfahren wie beispielsweise die Pulverlackierung nutzen die Prozessfolge Trocknen und Brennen. Im Wärmeverbund wird dabei die Abluft aus den Öfen häufig für die Trocknung verwendet. Der Wärmebedarf der Öfen wird bislang in den meisten Fällen mit fossilen Energieträgern (meist Erdgas) gedeckt.

Kurzfristige Energieeinsparmaßnahmen können sowohl organisatorisch-technischer Art sein, als auch durch klein-investive Maßnahmen realisiert werden. Letztere können außerdem zur Transformation der Produktion hin zu einer Versorgung mit erneuerbaren Energien beitragen. Häufig können bei Trockner-Ofen-Prozessen Energie- und Exergieverluste vermindert werden, indem der Wärmeverbund von Trockner und Ofen energetisch getrennt wird. Exergieverluste entstehen, da die hochkalorische Abwärme aus Öfen ein relativ hohes Temperaturniveau besitzt, für die Trocknung jedoch ein niedrigeres Temperaturniveau ausreichend wäre. Aus diesem Grund begrenzt die energetische Kopplung von Ofen und Trockner die Energieeffizienz-Bemühungen beim Ofen, wenn dessen Abwärme z. B. für die Trocknung von Rohlingen vorgesehen ist.

Die Optimierung des Energiebedarfs sollte beim Tunnelofen ansetzen. Denn aufgrund der sehr hohen Prozesstemperaturen im Ofen werden dort die höchsten Energiekosten im Produktionsprozess verursacht. Der Trockner kann hingegen die Abwärme des Ofens nutzen, beeinflusst aber nicht dessen energieoptimale Prozessführung. Eventuell wird aus dem Ofen nicht genügend Abwärme zur Versorgung des Trockners erzeugt. Dann kann wegen des geringeren Temperaturniveaus im Trocknungsprozess der Energiebedarf durch andere Wärmequellen (zum Beispiel Abwärme von Kompressoren aus der Drucklufterzeugung), Fernwärme oder durch HT-Wärmepumpen effizienter und kostengünstiger gedeckt werden.

Zur Minimierung des Prozesswärmebedarfs sollten die Massen- und Energieströme in den Teilsystemen von Trockner und Tunnelofen bekannt sein oder zunächst bestimmt werden. Eine volle Besetzung der Rollwägen oder Transportbänder minimiert nämlich den Nutzenergiebedarf des jeweiligen Ofengangs. Werden die Trockner und Öfen nicht im Vierschicht-Betrieb betrieben, müssen die Anlagen täglich oder nach dem Wochenende angefahren werden. Hierbei sollte darauf geachtet werden, die Anlagen nicht zu früh anzufahren, um die Anfahrverluste zu minimieren.

Die An- und Abfahrverluste bei Trocknern und Öfen können außerdem durch optimierte Wochenplanung (entweder Volllast- oder optimierte Teillast-Betriebsweise) minimiert werden. Die Brennkurve (Temperaturniveaus in den einzelnen Ofenzonen) oder die Back- bzw. Röst-Temperaturkurve kann optimiert werden, wenn das Rohmaterial in gleichmäßiger und bekannter Zusammensetzung zugeführt wird. Für diese Aufgabe sollte jeder Betrieb ein geeignetes Prozessoptimierungs-Tool einsetzen. Falls die Brenntemperatur unter etwa 550 °C liegt, sollte geprüft werden, ob sich eine Nachisolation des Ofens rentieren könnte. Diese gering-investive Maßnahme kann die Wärmeversorgung des Trockners beeinflussen und macht meist eine Entkopplung des Betriebs notwendig. Mit zunehmend fluktuierenden Strompreisen besteht bei entkoppeltem Trockner-Ofen-Betrieb die Möglichkeit, in Zeiten mit kostengünstigem Strom (oder negativen Strompreisen) eine elektrische (Zusatz-)Heizung für die Trocknung vorzusehen.

Erste Schritte bei der Umsetzung

• Massen- und Energieströme erfassen
• Rollwägen und Transportband voll besetzen
• Bei Ein- bis Dreischichtbetrieb Ofen nicht zu früh anfahren
• Brenn-, Back- oder Röstkurve optimieren
• Rohmaterial in gleichmäßiger und bekannter Zusammensetzung zum Ofen führen. Eventuell Ofen und Trockner nachisolieren
• kostengünstige Stromtarife zu entsprechenden Betriebszeiten nutzen (z. B. über Preiseffekte am Spotmarkt)

Herausforderungen und Lösungsansätze

Herausfordernd kann der schwankende Temperaturunterschied im Medium selbst sein, der durch unterschiedliche Maschinen und Betriebsbedingungen hervorgerufen wird. Hier ist eine akkurate und individuelle Planung der Komponenten essenziell. Häufig fällt die Abwärme räumlich getrennt vom Verwendungsbereich an. Dadurch müssen Leitungssysteme installiert werden, was zu erheblichen Kostensteigerungen und Wärmeverlusten führen kann. Abwärme sollte demnach möglichst örtlich dort genutzt werden, wo sie entsteht. Auch die zeitlich getrennte Verwendung von Abwärme und Verbraucher kann zu einer Herausforderung werden. Als Lösung können Warmwasserspeicher dienen, die über einen längeren Zeitraum das Wärmepotenzial zurückhalten. Soll die Abwärme in bestehende Systeme integriert werden, müssen häufig vorhandene Systeme und Prozesse angepasst werden. Hier ist die technische und wirtschaftliche Planung sehr wichtig.

Fördermöglichkeiten

Investitionen in die Wärmeisolation von industriellen Anlagen bis 200.000 Euro können im Rahmen der Bundesförderung für Energie- und Ressourceneffizienz in der Wirtschaft in Modul 1: Querschnittstechnologien durch das Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (BAFA) gefördert werden. Wechselwirkungen mit anderen Maßnahmen Die Optimierung der Fahrweise von Öfen ist eng verknüpft mit den im Factsheet Dämmung von Maschinen und Anlagen vorgestellten Maßnahmen. Diese sollten immer gemeinsam betrachtet werden.

Co-Benefits

Bei gut eingestellten Brenn-, Back- oder Röst-Kurven ist die Qualität der Produkte in der Regel besonders konstant.

Einsatz eines Optimierungsrechners für die Brennkurve eines Keramik-Tunnelofens

Die Brennkurve eines Keramikbetriebes ist aus langjähriger Erfahrung entstanden. Bei einer geringeren Beladung des Ofens gibt es Unsicherheiten, wie die Brennkurve optimal eingestellt werden kann. Hinzu kommt, dass ein neuer Ofen mit leicht unterschiedlichen Maßen eingesetzt wird. Durch das Einstellen der Temperatur oder der Vorschubgeschwindigkeit der Tunnelofenwägen, sowie durch das Abschalten einzelner Brennergruppen kann der Ofen optimal geregelt werden. Für den Ofen wird ein Ofenoptimierungsrechner angeschafft. Dieser wird zunächst in seinen Algorithmen auf die aus Erfahrung angewendete Volllastfahrweise "geeicht". Bei Teillast und veränderten Keramikrohlingen generiert der Optimierungsrechner etwas andere Brennkurven, als für gewöhnlich gewählt werden. Dadurch sind die Brennstoffverbräuche – je nach Produkt und Beladung – um rund 2 bis 6 Prozent geringer; im Jahresdurchschnitt liegt die Brennstoffeinsparung bei vergleichbarem Produktportfolio, aber ohne Optimierungsrechner, nur bei 3,2 Prozent.