Die Energiekosten sind der größte Einzelposten im Betrieb eines gasbetriebenen Herdofens. Bei einem 5-MW-Ofen, der 6000 Stunden pro Jahr mit Erdgas zu einem Preis von 0,35 US-Dollar pro Kubikmeter betrieben wird, belaufen sich die jährlichen Gaskosten auf etwa 400.000 bis 500.000 US-Dollar. Eine Reduzierung dieser Kosten um 15–25 % spart jährlich 60.000 bis 125.000 US-Dollar im Betriebsbudget – genug, um innerhalb von zwei bis drei Jahren eine umfassende Modernisierung der Steuerungstechnik zu finanzieren.
MONTE INTELLIGENCE hat an Dutzenden von Herdöfen vor Ort Energieaudits durchgeführt. Dabei stellten wir fest, dass die meisten Öfen, die älter als fünf Jahre sind, über Energieeffizienzpotenzial verfügen, das den Betreibern nicht bewusst ist. Dieser Artikel erläutert unsere Audit-Methodik und die häufigsten Ergebnisse.
Die Energieprüfung beginnt mit einer Wärmebilanzberechnung. Bei einem Chargenofen, der pro Zyklus eine Ladung verarbeitet, setzen sich die Wärmeeinträge aus der Energie der Brennstoffverbrennung, der fühlbaren Wärme der Verbrennungsluft (sofern vorgewärmt) und der durch Oxidation des Werkstücks freigesetzten Wärme (geringfügig, üblicherweise vernachlässigbar) zusammen. Die Wärmeausträge umfassen die vom Werkstück aufgenommene Nutzwärme, die Wärmeverluste im Abgas, die Wärmeverluste durch Ofenwände und -tür, die Wärmeverluste durch Luftinfiltration, die in der Ofenstruktur gespeicherte Wärme (die beim Abkühlen freigesetzt, aber zwischen den Zyklen wieder verloren geht) sowie die Wärmeverluste durch Öffnungen, Dichtungen und andere Wege.
Die nutzbare Wärme – die Energie, die die Werkstücke tatsächlich erwärmt – wird aus der Werkstückmasse, der spezifischen Wärmekapazität und dem Temperaturanstieg berechnet. Bei einer 20 Tonnen schweren Stahlladung, die von 20 °C auf 850 °C erhitzt wird und eine durchschnittliche spezifische Wärmekapazität von 0,55 kJ/kg·K aufweist, beträgt die nutzbare Wärme 20.000 × 0,55 × 830 = 9.130 MJ oder etwa 2.536 kWh – das entspricht ungefähr 260 Kubikmetern Erdgas.
Der gesamte Gasverbrauch pro Heizzyklus wird vom Gaszähler des Heizkessels gemessen. Zeigt der Zähler einen Verbrauch von 520 Kubikmetern an, beträgt der Wirkungsgrad des Heizkessels 260/520 = 50 %. Die verbleibenden 260 Kubikmeter – Gas im Wert von etwa 90 US-Dollar pro Heizzyklus – gehen durch verschiedene Wärmeverluste verloren. Die Analyse identifiziert und quantifiziert diese Verluste, um Einsparpotenziale zu ermitteln.
Der Wärmeverlust durch das Abgas ist typischerweise der größte Verlustpfad und macht 30–50 % des gesamten Gasverbrauchs aus. Das Abgas verlässt den Ofen mit einer Temperatur nahe der Ofenbetriebstemperatur – bei einer Ofentemperatur von 1000 °C beispielsweise 900–950 °C – und führt dabei eine große Menge an fühlbarer Wärme ab. Der Wärmeinhalt lässt sich aus Abgasvolumenstrom, Temperatur und Zusammensetzung berechnen.
Die Reduzierung von Abgasverlusten erfolgt durch zwei Strategien: Verringerung des Luftüberschusses und Wärmerückgewinnung aus dem Abgas. Luftüberschuss bezeichnet die Luftmenge, die über das stöchiometrische Maß für die Verbrennung hinaus zugeführt wird. Bei 50 % Luftüberschuss – einer gängigen Einstellung – ist das Abgasvolumen etwa 30 % höher als bei 10 % Luftüberschuss. Die zusätzliche Luft muss von Umgebungstemperatur auf Abgastemperatur erwärmt werden. Durch die Reduzierung des Luftüberschusses von 50 % auf 10 % lässt sich der Wirkungsgrad des Ofens um 3–5 % verbessern. Dies erfordert eine Sauerstoffregelung am Brenner – eine Lambdasonde im Abgaskanal, die dem Verbrennungsluftregler Echtzeit-Rückmeldungen liefert.
Die Abwärmenutzung erfolgt mittels Rekuperator oder Regenerator, der die Wärme aus dem Abgas auf die Verbrennungsluft überträgt. Durch die Vorwärmung der Verbrennungsluft auf 400 °C lässt sich der Wirkungsgrad des Ofens um 15–25 % steigern, da die vorgewärmte Luft die benötigte Brennstoffmenge zum Erreichen der Verbrennungstemperatur reduziert. Rekuperatoren – Gas-Gas-Wärmetauscher, typischerweise Rohrbündel- oder Plattenwärmetauscher – sind die gängigste Technologie und erreichen eine Wärmerückgewinnungseffizienz von 50–60 %. Regenerative Brenner, die mit keramischen Heizmedien arbeiten, die abwechselnd Wärme aufnehmen und abgeben, erzielen eine Rückgewinnungseffizienz von 80–90 %, sind aber mit höheren Investitionskosten verbunden.
Der Wärmeverlust der Wände hängt von der Dicke der Feuerfestauskleidung, der Wärmeleitfähigkeit und der Außentemperatur der Wände ab. Bei einem Ofen, der bei 1000 °C betrieben wird und über eine 300 mm dicke Keramikfaserisolierung (Wärmeleitfähigkeit 0,15 W/m·K bei mittlerer Temperatur) verfügt, beträgt der Wärmeverlust durch die Wände etwa 500 W pro Quadratmeter. Bei einem Ofen mit 100 Quadratmetern Wandfläche entspricht dies einem kontinuierlichen Wärmeverlust von 50 kW – etwa 4,3 Kubikmeter Gas pro Stunde oder rund 1,50 US-Dollar pro Stunde.
Die Messung der Außenwandoberflächentemperatur mit einem Infrarotthermometer ist eine einfache Prüfmethode. Jede Wandfläche, die mehr als 20 °C über dem Durchschnittswert liegt, deutet auf eine Lücke in der Isolierung, eine defekte Verankerung oder einen Hotspot hin, der durch die auf die Wand auftreffende Flamme eines internen Brenners verursacht wird. Diese Hotspots können im Rahmen einer planmäßigen Abschaltung durch Austausch der betroffenen Isoliermodule behoben werden.
Undichtigkeiten an Türen und Dichtungen sind am schwierigsten zu quantifizieren, aber oft am einfachsten zu beheben. Ein 3 mm breiter Spalt am Rand einer 4 m × 3 m großen Tür hat eine Fläche von etwa 0,042 Quadratmetern. Bei einem typischen Ofendruck von 10 Pa führt das durch diesen Spalt austretende Heißgas erhebliche Energie ab – etwa 10–15 kW bei einem 1000 °C heißen Ofen. Die Lösung ist der Austausch der Türdichtung – eine Arbeit, die ein Wartungsteam etwa vier Stunden in Anspruch nimmt und einige hundert Dollar an Materialkosten verursacht.
Luftinfiltration – kalte Luft, die durch Spalten in der Konstruktion, um die Tür, um die Brennerverkleidungen und durch Inspektionsöffnungen in den Ofen eindringt – ist der versteckte Energiedieb. Die eindringende Luft führt nicht nur Wärme ab (kalte Luft verdrängt heißes Abgas, das entweichen muss), sondern verursacht auch Oxidation des Brennguts und kann ungleichmäßige Temperaturzonen erzeugen. Die Verbrennungsanalyse liefert indirekte Hinweise auf Luftinfiltration: Ist der Sauerstoffgehalt im Abgas höher als aufgrund der Brennereinstellungen erwartet, stammt der zusätzliche Sauerstoff aus der Infiltration.
Der Prüfbericht sollte eine priorisierte Liste von Energiesparmaßnahmen (ESM) mit geschätzten Kosten, geschätzten Einsparungen und einfacher Amortisationszeit enthalten. Typische ESM für einen Herdofen mit Drehgestell, geordnet nach steigender Amortisationszeit, sind: Reparatur der Türdichtungen (Amortisation < 1 Monat), Anpassung des Luft-Gas-Verhältnisses des Brenners (Amortisation < 3 Monate), Reparatur von Glutstellen in der Feuerfestauskleidung (Amortisation 3–6 Monate), Installation einer Sauerstoffregelung (Amortisation 6–12 Monate) und Installation eines Rekuperators (Amortisation 12–24 Monate).
MONTE INTELLIGENCE bietet Energieaudit-Dienstleistungen an, die Messungen vor Ort, Wärmebilanzberechnung, ECM-Identifizierung und Unterstützung bei der Implementierung umfassen.
Um einen Energiecheck für Ihren Bogie-Heizkessel zu vereinbaren, kontaktieren Sie helenxu@cnlymonte.com.
