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Energieeffiziente Stahlerzeugung: Gut fürs Klima - profitabel für den Stahlhersteller

16.09.2009
Stahlproduzenten können bis zu sieben Prozent an Strom einsparen. Mit dem Messsystem STROMBOLI lässt sich die Elektrostahlherstellung optimieren. Das zeigen Messungen von Abgaskonzentrationen in einem Elektroschmelzofen der Lechstahlwerke. Herzstück des Systems ist ein staubresistentes Laser-Spektrometer von Fraunhofer IPM.

Der Name STROMBOLI für ein Messsystem zur energieoptimierten Stahlproduktion kommt nicht von ungefähr: Schaut man das erste Mal beim Stahlkochen zu, so fühlt man sich unweigerlich an die Urgewalt eines aktiven Vulkans wie Stromboli erinnert.

Im Gegensatz zum Vulkan nutzt ein Elektroschmelzofen jedoch keine Erdwärme, um sein Inneres aufzuschmelzen, sondern große Mengen an elektrischer Energie: Rund 450 kWh werden bei diesem Verfahren typischerweise zur Herstellung von einer Tonne Stahl benötigt - das entspricht rund dem halben Jahresstromverbrauch eines Ein-Personen-Haushalts in Deutschland. Inzwischen kommt etwa ein Drittel des weltweit produzierten Stahls aus Lichtbogenöfen, in denen Metallschrott mit Hilfe von starken elektrischen Strömen und den dabei entstehenden Lichtbögen aufgeschmolzen wird.

Sensible Messung trotz Staub und Hitze

Um den extrem heißen und staubigen Prozess der Stahlherstellung optimieren zu können, benötigt man sensible Messsysteme, die gleichzeitig sehr robust gegenüber der Umgebung sind. Das Freiburger Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM ist spezialisiert, empfindliche Messsysteme wie STROMBOLI an schwierige Messumgebungen anzupassen. Doch welche Parameter müssen bei der Elektrostahlherstellung gemessen werden, um Strom einsparen zu können?

Gezielte Nachverbrennung von CO

Die Elektrostahlherstellung ist einer der energieintensivsten Produktionsprozesse überhaupt. Zusätzlich zum elektrischen Energieeintrag werden noch Erdgas und Koks verbrannt. Jedoch gehen bis zu 30 Prozent der eingesetzten Energie im Abgas verloren, ein großer Teil aufgrund von unverbranntem Kohlenmonoxid (CO). Wenn die CO-Konzentration während des Prozesses bekannt ist, kann gezielt Sauerstoff (O2) zugesetzt werden, ohne die Stahlqualität zu beeinträchtigen. Das führt zu einer Nachverbrennung von CO zu CO2 (Kohlendioxid). Die dabei freiwerdende Wärmeenergie ersetzt teilweise das Heizen der Schmelze mit vergleichsweise teurer elektrischer Energie. Ziel einer energieeffizienten Stahlproduktion muss es also sein, die Sauerstoffzufuhr zu optimieren. Dies gelingt dem STROMBOLI-Team an einem Lichtbogenofen der Lechstahlwerke. Dazu saugt das Messsystem das Gasgemisch über der Schmelze ab und bestimmt anschließend die Konzentrationen von CO, CO2 und O2 - und zwar so schnell, dass jederzeit genau die richtige Menge an Sauerstoff zugeben werden kann, die zur optimalen Verbrennung notwendig ist. Eine eigens entwickelte Spülung schützt die Optiken der Messkammer vor Staub und verlängert die Wartungsintervalle des Gesamtsystems.

Riesiges Einsparpotenzial

Ein Beispiel: Pro Jahr produzieren die Lechstahlwerke rund eine Million Tonnen Stahl (2008). Von der dafür benötigten elektrischen Energie lassen sich zukünftig bis zu 32 Millionen kWh einsparen. Dies entspricht etwa dem Jahresbedarf der Privathaushalte einer deutschen Kleinstadt mit 25 000 Einwohnern oder der dreifachen Energiemenge, die jährlich in Freiburg photovoltaisch erzeugt wird. Das macht deutlich: Die Verbesserung von wenigen besonders energieintensiven Prozessen kann einen enormen Beitrag zum Klimaschutz leisten. Fraunhofer IPM ist daher sehr interessiert an neuen Industriepartnern, um die Weiterentwicklung und Anpassung des Messsystems an andere ebenso energieintensive Prozesse schnell voranzutreiben. STROMBOLI ist auch für Energiekontraktoren attraktiv, die ihren Kunden helfen, Energiekosten bei Herstellungsprozessen zu senken.

Das Verbundprojekt STROMBOLI wurde vom Bundeswirtschaftsministerium gefördert. Projektpartner sind das Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM, das VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH BFI [VDEh = Verein Deutscher Eisenhüttenleute], die Lechstahlwerke GmbH LSW und die SMS Siemag AG.

Holger Kock | Fraunhofer Gesellschaft
Weitere Informationen:
http://www.ipm.fraunhofer.de

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