Die Fragestellung nach einer energieeffizienten und nachhaltigen Fertigung ist für die künftige Wettbewerbsfähigkeit von klein- und mittelständischen Unternehmen der metallverarbeitenden Industrie von elementarer Bedeutung. Dies gilt insbesondere am Standort Deutschland, einem der weltweiten Vorreiter in Hinblick auf die energieeffiziente und umweltschonende, gleichzeitig aber auch kostenintensive Nutzung erneuerbarer Energiequellen. Vor dem Hintergrund der global stetig steigenden Energiepreise sowie drohender Strafzahlungen für die Emission von Schadstoffen, gleichwohl aber auch vor dem Hintergrund einer scheinbar unaufhaltsam zunehmenden Erderwärmung und einem wachsenden ökologischen Verantwortungsbewusstsein, gilt es heutzutage daher mehr denn je, anforderungsgerechte Lösungen zu entwickeln, die einen ressourcenschonenden Materialeinsatz sowie eine nachhaltige Nutzung der zur Verfügung stehenden Energieträger ermöglichen und dabei die Summe der klimaschädigenden Schadstoffemissionen (insbesondere CO2) auf ein Minimum reduzieren. Politische Restriktionen, sowohl global als auch auf Bundesebene, verknüpfen dabei bewusst ökologische und ökonomische Aspekte, um die avisierten Zielstellungen zu erreichen. In diesem Kontext bekommt der Produktionsfaktor Energie auch aus wirtschaftlicher Sicht eine immer bedeutsamere Rolle.

Jährlich werden in deutschen Gießereien über 5 Mio. t (1,67 Mio. t NE-Guss) hochwertiger Bauteile und Komponenten hergestellt. Offiziellen Auswertungen des Statistischen Bundesamtes zufolge fallen dabei Energiekosten an, die inzwischen ca. 25 % der Bruttowertschöpfung (13 Mrd. € / a) entsprechen. Allein die NE-Gusserzeugung verursacht dabei ca. 1,01 Mio. t CO2 / a [1].

In diesem Kontext zeigt Bild 1 die typische Prozesskette der am Produktionsstandort Deutschland stark forcierten Aluminiumgusserzeugung sowie das (vorläufige) Ergebnis durchgeführter Verbrauchserfassungen beim Projektpartner, der Leichtmetallgießerei Bad Langensalza GmbH (LGL), zur Ermittlung der prozessbezogenen Energiebedarfe. Bei der Auswertung der prozentualen Energieverteilung wird schnell ersichtlich, dass eine Effizienzsteigerung innerhalb einer Gießerei vorrangig über eine nachhaltige Gestaltung der einzelnen Prozessschritte zur Metallbereitstellung zu realisieren ist. 
 

2.1 Energiequelle
Gemäß aktuellen Erhebungen hinsichtlich der in der deutschen Gießereiindustrie eingesetzten Energieträger für die primär benötigte Wärmebereitstellung beträgt der Anteil des Energieträgers Strom in den NE-Gießereien, die zurzeit mit 336 von 610 Betrieben den Großteil der Branche darstellenden, ca. 50 %. Die restliche benötigte Wärmeenergie wird weitestgehend durch gasbeheizte (offenflammige) Brennersysteme erzeugt. Bezogen auf die besonders energieintensiven Prozessschritte zur Metallbereitstellung (Schmelz- und Warmhaltebetrieb) lässt sich der IST-Stand am Standort Deutschland aktuell derart charakterisieren, dass in hier fokussierten NE-Gießereien der Schmelzbetrieb zu etwa gleichen Teilen durch gas- oder strombeheizte Ofenkonzepte realisiert wird, wohingegen der Warmhaltebetrieb nahezu ausschließlich durch strombasierte Ofenanlagen erfolgt [2], [3].

Vergleicht man jedoch die zur Wärmebereitstellung eingesetzten Energieträger Gas und Strom, so sind bezogen auf eine kWh Energie sowohl die anfallenden Bezugskosten als auch die emittierten CO2-Äquivalente (Hochrechnung auf Basis des aktuellen deutschen Strommixes) bei Gas deutlich vorteilhafter (Bild 2), [4], [5], [6]. Dass zum gegenwärtigen Stand dennoch zu einem Großteil elektrische Beheizungslösungen zur Anwendung kommen, begründet sich in der Tatsache, dass die bisher bekannten offenflammigen Brennersysteme entscheidende Nachteile sowohl im Hinblick auf die Temperaturregelbarkeit als auch auf die erzielbare Temperaturhomogenität aufweisen. Die resultierenden lokalen Überhitzungen lassen sich deshalb momentan nur in großen Anlagen als adäquat nutzbar einschätzen. Darüber hinaus beschränkt sich der Einsatz von brennstoffbeheizten Industrielösungen momentan im Wesentlichen auf Öfen für den Schmelzprozess. 
 

Für den Einsatzbereich Warmhalten kommen gemäß aktuellen Erhebungen des Bundesverbandes der Deutschen Gießerei-Industrie (BDG) [7] lediglich bei sehr großen Ofenvolumina, und auch hier nur vereinzelt 2-stufige oder modulierende Kaltluftbrenner bzw. Mantelrohr- oder Rekuperator-Warmluftbrenner, zur Anwendung. Einem Einsatz von durch Vorwärmung der Verbrennungsluft effizienteren Brennern in KMU-typischen Ofengrößen steht der erhöhte, kaum zu skalierende gerätetechnische Aufwand sowie die notwendige hohe und gleichmäßige Auslastung (dies gilt insbesondere auch für moderne Flox-Brenner) entgegen, die für einen effektiven Betrieb bzw. Wirkungsgrad erforderlich sind. Deshalb werden diese Ofenanlagen zumeist bequem und einfach elektrisch beheizt. Alternativ kommen Öfen zum Einsatz, die mit günstigen, jedoch sehr ineffizienten Gasbrennern ausgestattet sind. Flammenfreie Vormisch-Brenner (z.B. Porenbrenner) weisen diese Nachteile nicht auf und haben sich inzwischen als bessere Alternative. Vor allem in kleineren Schmelz- und Warmhalteöfen, etabliert [8]. Gleichwohl können letztere aber, anders als offenflammige Brenner, bisher nicht mit vorgewärmter Verbrennungsluft betrieben werden. Die gezielte Wiederverwertung von Abwärme in Form vorgewärmter Verbrennungsluft in flammenfreien Brennern stellt daher ein zentrales Entwicklungsziel des vorgestellten Projektes dar, um eine noch wirtschaftlichere gasbasierte Wärmebereitstellung auch in KMUtypischen Anlagengrößen zu ermöglichen und entsprechend die Grundlage eines insgesamt revolutionären Prozess- und Anlagenkonzeptes zu schaffen.

2.2 Prozessführung
Die zum gegenwärtigen Zeitpunkt in deutschen KMUs vorherrschende konventionelle Prozessgestaltung der Leichtmetallgusserzeugung lässt sich, wie schematisch auch in Bild 3 dargestellt, in folgende Prozessschritte untergliedern:

• Stationär Metall schmelzen und in eine (hoffentlich) vorgewärmte Transportpfanne umgießen,
• Transport der Schmelze und Umgießen in einen stationären Warmhalteofen,
• Schöpfen aus dem Warmhalteofen und Gießen des zu erzeugenden Bauteils.

Im Sinne der beabsichtigten und dringend erforderlichen Effizienzsteigerung verfolgt das vorliegende Forschungsvorhaben ETAL das Ziel, über die gesamte Prozesskette der Leichtmetallgusserzeugung hinweg den erforderlichen Primärenergieeinsatz und damit auch die emittierten Schadstoffe signifikant zu reduzieren und gleichzeitig sowohl Gussqualität als auch Fertigungsflexibilität deutlich zu erhöhen. Dies entspricht letztlich einer Reduktion des spezifischen Energieeinsatzes und hilft somit sowohl die Fertigungskosten zu senken als auch die Umwelt zu schonen. Dabei beinhaltet das zwischen der promeos GmbH, Nürnberg, der LGL Leichtmetallgießerei Bad Langensalza GmbH, dem Bereich Ur- und Umformtechnik am Institut für Fertigungstechnik und Qualitätssicherung der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg (OVGU) sowie dem Fraunhofer-Institut für Fabrikbetrieb und -automatisierung Magdeburg (IFF) konzipierte Projekt gleich mehrere als revolutionär einzustufende
Technologieentwicklungen.

3.1 Innovative modulare Brennertechnologie
Zunächst ist hier das Herzstück der Anlage, ein vollkommen neu entwickeltes gasbasiertes, modulares Brennerkonzept zu nennen. Im Gegensatz zu bisher bekannten Lösungen ermöglicht dieses erstmalig, den günstigen und ökologisch sinnvollen Energieträger Gas in elektrischer Regelgüte zur Erzeugung der benötigten Wärme zu nutzen und dabei vorgewärmte Luft sicher und exakt kontrollierbar zu verarbeiten. Somit wird künftig die prozessintern anfallende Abwärme zielführend wiederverwertet werden können.

Vollvormischende Brenner der Firma promeos arbeiten bisher als Kaltluftbrenner und zeichnen sich durch die Abstinenz raumgreifender Diffusionsflammen aus. Die flächige und flammenfreie Verbrennung des Gas-Luft-Gemisches erlaubt es, Wärme als homogene IR-Strahlung und mit gleichmäßiger Konvektion zur Verfügung zu stellen. Aufgrund folgender Merkmale vereinen promeos-Brenner auch bisher schon die ökonomischen und ökologischen Vorteile des Energieträgers Gas mit der Prozess- und Regelgüte elektrischer Heizelemente:

• Keine Hot-Spots, weil keine freien Flammen,
• Stufenlose Regelbarkeit der Wärmeleistung,
• Beliebige geometrische Anpassung der Brennergeometrie durch modularen Aufbau,
• Beliebige modulare Skalierung der Brennerleistung durch modularen Aufbau,
• Hohe Leistungsdichte von bis zu 4 MW/m2.

Die Erweiterung dieser Attribute um den Effekt der direkten Abwärmenutzung durch Vorwärmung der Verbrennungsluft ist zentraler Gegenstand des hier entwickelten Brennerkonzeptes.

Aufgrund der Zündbedingungen der industriell verwendeten Brenngase (Erd- und Flüssiggase) ist eine Vollvormischung von Luft hoher Temperatur mit Brenngas ausgeschlossen. Um dennoch die oben genannten Vorteile auch mit vorgewärmter Luft hoher Temperatur realisieren zu können, entwickelte promeos das Konzept eines multi-zellularen Flächenbrenners, welcher durch Parallelschaltung einzelner Verbrennungszellen mit dezentraler Gemischaufbereitung die Realisierung beliebig 2-D-skalierbarer Brennermodule für Hochtemperaturprozesse erlaubt. Wichtige Entwicklungsinhalte umfassen dabei die sichere, modulare Medienversorgung der einzelnen Brenner-Zellen sowie die Materialauswahl und -verarbeitung der 3-D-strukturierten Brennerzellen selbst. Ermöglicht wird diese Verfahrensentwicklung u.a. durch moderne Simulationstechniken sowie den Einsatz generativer Fertigungsverfahren. Bild 5 zeigt den ersten Prototypen des neuartigen Brennerkonzeptes. Die Abmessungen und  Flächenleistungsdichten entsprechen denen aller bisherigen flammenfreien Brenner von promeos, was u.a. eine Erweiterung der bisherigen Kaltluftsysteme um die Luftvorwärmung erlauben wird. Es ist geplant, in einem ersten Entwicklungsschritt Verbrennungslufttemperaturen von bis zu 500 °C sicher verwerten zu können.
 

3.2 Revolutionäres Prozess- und Anlagenkonzept
Diese Brennerentwicklung wiederum stellt die grundlegende Voraussetzung für ein erfolgreiches Gelingen des Prozessund Anlagenkonzeptes dar, das den konventionell üblichen Prozessablauf künftig massiv verkürzt und erheblich vereinfacht. Das Metall wird künftig in vollkommen mobilen Tiegelpfannen, sog. „mpots“ (Bild 6), eingeschmolzen, transportiert und warmgehalten, wodurch die qualitätsbeeinträchtigenden Umschöpfvorgänge komplett entfallen und der gesamte Prozess deutlich effizienter gestaltet wird.
 

Das Besondere dabei ist, dass diese „mpots“ keine feste Beheizungslösung beinhalten. Vielmehr beziehen sie die zum Schmelzen benötigte Energie an innovativen Docking-Stationen (heat docks), die mit Hilfe der vorstehend genannten effizienten Brennerlösung arbeiten. Je nach erforderlicher Schmelzkapazität können mehrere heat docks gekoppelt werden. In diesem Fall besteht die Möglichkeit, die anfallende Abwärme zusätzlich auch kaskadenartig an die Partnerstation weiterzugeben, um somit zusätzliche Effizienzpotenziale zu heben.

Nach dem Einschmelzen verfahren die „mpots“ an die wertschöpfenden Gießplätze und versorgen diese entsprechend bedarfsgerecht mit flüssigem Metall. Dabei funktionieren sie ähnlich einer Thermoskanne und nutzen die zuvor bezogene Heißluft gezielt als Wärmeisolationspolster. Sofern erforderlich können an den Gießplätzen optional (z.B. wenn beim Abgießen kleinvolumiger Bauteile der „mpot“ übermäßig lange am Gießplatz verbleiben muss) weitere, entsprechend kleiner dimensionierte heat docks mögliche Wärmeverluste des Metalls ausgleichen, was den systemischen spezifischen Energieverbrauch senkt. Bei Bedarf können auch in einer beliebigen Anzahl solcher mpots komplett unterschiedliche Legierungen verarbeitet werden, wodurch der zunehmenden Herausforderung einer stetig steigenden Produktdiversität Rechnung getragen wird.

Durch den Einsatz eines solchen volltransportablen Schmelzund Warmhaltesystems, in dem die für die Gusserzeugung vorzuhaltende Metallmenge jeweils direkt in einem einzigen Tiegel eingeschmolzen, veredelt, warmgehalten und geschöpft wird, entfallen mindestens zwei Umfüllprozesse. Dadurch wird die Bildung der für die Gussqualität äußerst schädlichen Oxide signifikant reduziert und die mit der Schlackebildung einhergehenden Materialverluste werden minimiert. Dies resultiert in einer deutlichen Reduzierung des Produktionsausschusses und wird außerdem die indirekten Energieverbräuche senken. Ferner könnten durch das neue Konzept künftig sogar aufwendige Schmelze-Aufbereitungsverfahren, wie z.B. das Impellern, deutlich reduziert oder gänzlich überflüssig werden. Für eine finale Beurteilung sind jedoch zunächst die  geplanten Untersuchungen in der praktischen Anwendung abzuwarten. Neben den energietechnischen Vorteilen eröffnen sich durch den innovativen Konzeptansatz und die damit einhergehende Loslösung von den bislang vorrangig krangebundenen Transportwegen der Schmelze, insbesondere auch aus Sicht der Produktionsplanung und Fertigungslogistik, komplett neue Möglichkeiten für die Gestaltung der innerbetrieblichen Materialflüsse. Hier ist eine erhebliche Senkung der Kreislaufmaterialquote und damit des indirekten Energieverbrauches zu erwarten. In diesem Zusammenhang sollen die Bereiche der eigentlichen Wertschöpfung, also die Gießplätze, im Sinne einer vollvernetzten Anlagentechnik die benötigte Schmelzlegierung künftig bedarfsgerecht („PULL“-Prinzipien) und jederzeit transparent an den heat docks anfordern und anschließend direkt aus den bereitgestellten mpots für den Gießprozess schöpfen. Projiziert auf die LGL GmbH könnten somit konkret die zwei gasbeheizten Schmelzöfen, die drei mittels Gasbrenner vorgeheizten Transportpfannen sowie die acht elektrisch beheizten Warmhalteöfen durch zwei bis drei effizient beheizte „heat docks“ und einer der Produktionsauslastung angepassten Anzahl an „mpots“ substituiert werden (Bild 7).