Klimaschonende Produktionsprozesse: HTS-Technologie im industriellen Einsatz

Klimaschonende Produktionsprozesse: HTS-Technologie im industriellen Einsatz

Hochtemperatursupraleiter sind ein Schlüssel zu mehr Energieeffizienz in der metallverarbeitenden Industrie. Bis zu hundertmal mehr Strom als ein vergleichbarer klassischer Kupferdraht können sie nahezu verlustfrei übertragen. Schon vor über zehn Jahren erkannte das Netzwerk ZENIT e.V.-Mitglied Bültmann aus Neuenrade das Potenzial dieser Technik und entwickelte mit finanzieller Hilfe der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU) einen Magnetheizer auf Basis der Supraleiter-Technologie. Dieser kam weltweit erstmalig in der Mindener Weseralu GmbH & Co. KG zum Einsatz, half dabei die Produktion zu steigern und gleichzeitig Energie einzusparen. Nun entwickelt Bültmann einen Magnetheizer mit neuester Supraleiter-Technologie, um in dem allgemeinen Streben der Industrie nach Energieeffizienz und Klimaschutz einen wichtigen Beitrag zu leisten.

Supraleiter leiten Strom ohne den sonst üblichen elektrischen Widerstand. Mit ihnen lassen sich starke Magnetfelder erzeugen. In der Medizin ermöglichen sie die Magnetresonanztomographie (MRT) und auch in der Wissenschaft sind sie nicht mehr wegzudenken, denkt man an die Teilchenbeschleuniger des CERN.

Metallische Tieftemperatur-Supraleiter, die mit flüssigem Helium auf Temperaturen nahe des absoluten Nullpunktes gekühlt werden müssen, lassen sich zwar wie beim MRT in Laboren einsetzen, sind aber für das industrielle Umfeld viel zu empfindlich. Hochtemperatur-Supraleiter (HTS) mit keramischen Leiterschichten müssen „nur“ auf die Temperatur von flüssigem Stickstoff, also -200°C“, gekühlt werden, damit der verlustfreie Stromfluss auftritt, was den industriellen Forderungen näher kommt.

Um Metallblöcke für die Weiterverarbeitung zu erhitzen, waren bislang große Mengen an Energie notwendig. Der Magnetheizer ist die erste und bisher einzige industrielle HTS-Anwendung. Der seinerzeit mit mehreren Innovationspreisen ausgezeichnete Magnetheizer verfolgt einen völlig neuen technologischen Ansatz, um Aluminiumblöcke (zylindrische Halbzeuge) für die Weiterverarbeitung auf Temperaturen von bis zu 520 °C zu erwärmen. Der Aluminiumbolzen taucht in das starke mit HTS-Spulen erzeugte Gleichstrom-Magnetfeld ein und wird mit Motoren in Rotation versetzt. Die Verluste der im Bolzen auftretenden Wirbelströme erwärmen den Aluminiumblock. Das erfordert 30 % weniger Energie als bei der konventionellen induktiven Erwärmung, bei der die Blöcke in Kupferspulen liegen, die mit Wechselstrom ein Magnetfeld erzeugen.

Seit Juli 2008 ist der Prototyp bei der Produktion von Aluminium-Strangpressprofilen ununterbrochen im Einsatz und konnte sich durchweg bewähren. Einziges Manko zu Anfang: die mit der Wartung der Kälteerzeuger verbundenen Stillstandzeiten. Weiterhin wird ein Magnetheizer in der Produktion zur Enderwärmung von Kupferblöcken auf über 1000°C eingesetzt. Der einzige Nachteil dieser energieeffizienten Technologie ist der Supraleiter-Markt an sich. Als der HTS-Spulenhersteller ausfiel, konnte auf dem Weltmarkt kein Ersatzlieferant gefunden werden.

Aber auch bei den Hochtemperatur-Supraleitern geht die Entwicklung weiter. Gemeinsam mit der THEVA GmbH als HTS-Hersteller und dem Institut für Technische Physik (ITEP) des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) als Experten für Supraleiter und Kryotechnik, nimmt die Bültmann GmbH als Anlagenbauer einen neuen Anlauf und will mit Förderung aus dem 7. Energieforschungsprogramm des Bundes einen Magnetheizer mit neuester Supraleiter-Technologie entwickeln.

Parallel untersuchte das regional verwurzelte Familienunternehmen in Zusammenarbeit mit dem Forschungszentrum Jülich eine nach gleichem Prinzip arbeitende Erwärmungstechnologie. In der von der DBU geförderten Machbarkeitsstudie konnte nachgewiesen werden, dass auch mit starken Permanentmagneten ausreichende Magnetfelder erzeugt werden können, um Aluminiumblöcke zu erwärmen. Dass beide Verfahren in Konkurrenz stehen und sich die Produkte möglicherweise kannibalisieren, kann jedoch ausgeschlossen werden. Für beide gibt es ganz spezifische Anwendungsfelder, in denen sie ihre jeweiligen Stärken ausspielen können.

Eine neue HTS-Leitergeneration und die Möglichkeit der Verwendung von Permanentmagneten eröffnen der Erwärmungstechnik mit magnetischen Gleichfeldern neue Optionen für industrietaugliche Lösungen zur Erwärmung von Blöcken aus Buntmetallen. Die Vollelektrifizierung bei gleichzeitigen über 30 % höheren Wirkungsgraden sind Argumente für niedrige Kosten und mehr Klimaschutz, die positive Marktaussichten versprechen und für Bültmann zugleich eine Diversifizierung bedeuten.

Seit Beginn der Entwicklung greift die Bültmann GmbH bei den Forschungs- und Innovationsprojekten auf die Erfahrungen der ZENIT GmbH zurück. Im Zusammenspiel unterstützen die erfahrenen Technologieberater mit ihrem Engagement bei der Projektkonzeptionierung über die Antragstellung bis hin zur Projektabrechnung.

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Dr. Uwe Birk Dipl.-Ing.
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