gesponsertSimulation und Energieeffizienz Strom statt Gas in der Fertigung? Frag die Simulation!

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CADFEM Germany GmbH

„Never change a running system!“. Aber wie soll man Systeme verbessern, ohne sie zu ändern? Es kann sich lohnen, bewährte Verfahren zu hinterfragen. Simulationen helfen beim Verstehen, auf was es ankommt – so auch bei der Wahl der optimalen Energieform in der Fertigung.

Glasflaschen entstehen unter hohem Energieeinsatz in Glashütten. Beim Herstellungsprozess werden die notwendigen Rohstoffe, etwa Quarzsand oder auch Glasscherben aus Altglascontainern, auf sehr hohe Temperaturen gebracht und zu einer homogenen Masse eingeschmolzen. Kleine Portionen dieser Schmelze werden dann in Abgussformen in ihre finale Form gebracht und auf Raumtemperatur abgekühlt.

Um die enorm hohen Temperaturen innerhalb der Glasschmelze zu erreichen, werden fossile Energieträger verbrannt und die freigesetzte thermische Energie über Konvektion und Strahlung auf das Glas übertragen. Dieser Prozess funktioniert seit Jahrhunderten mit Kohle, heutzutage in der Industrie vornehmlich mit Gas.

Aber wie lange noch? Jeder weiß, dass die fossilen Energieformen immer knapper und dementsprechend teurer werden – ganz abgesehen von ihren negativen Umwelteinflüssen. Es müssen also Innovations- und Optimierungspotenziale ausfindig gemacht und umgesetzt werden, um sowohl den skizzierten als auch andere energieintensive Herstellungsprozesse effizienter zu machen.

Kann Strom das Gas ersetzen?

Eine sehr effiziente Erwärmung in Fertigungsprozessen bietet eine elektrische oder elektromagnetische Leistungsbereitstellung. Energie kann damit sehr zielgenau und ohne große thermische Verluste in das zu erwärmende Bauteil eingebracht werden. Insbesondere die Metall verarbeitende Industrie stellt zunehmend darauf um.

Glas hat gegenüber Metallen allerdings einen erheblichen Nachteil: Bei Raumtemperatur ist seine elektrische Leitfähigkeit so gering, dass die Erwärmung über elektrische und elektromagnetische Quellen nicht funktioniert. Immerhin: Ab einer Temperatur von etwa 1.000 Grad Celsius wird Glas zu einem Ionenleiter. Die elektrische Leitfähigkeit liegt dann zwar weiterhin deutlich unter der von Metallen, aber sie reicht aus, um einen elektrischen Stromfluss zu gewähren und damit letztlich direkt über elektrische Leistung Wärme im Glas umzusetzen.

Die Antwort auf die Frage: „Kann Strom das Gas ersetzen?”, lautet daher bei Materialien mit geringer elektrischer Leitfähigkeit zunächst: Jein. Es braucht nach wie vor einen Startprozess über einer Gasflamme. Sobald ein elektrischer Strom aufgebaut ist, könnte der Prozess dann grundsätzlich allein mit elektrischer Energie betrieben werden: Neue, kalte Materialien werden über Wärmeleitung aufgeschmolzen und wenn der Prozess kontinuierlich läuft, wird umgestellt. Theoretisch. In der Praxis würde man dabei aber unvermeidbare Unterbrechungen wie Wartungsvorgänge, Chargenwechsel oder Störungen ausblenden, die einem schnell einen Strich durch die vermeintlich heile elektrische Welt machen.

Simulation hilft, komplexe Prozesse zu verstehen

Wie also kann eine effiziente Lösung für die Praxis aussehen? Der Schlüssel dafür ist die Temperaturverteilung, die ihrerseits von Ort und Art der Leistungseinbringung in den Prozess abhängt. Über diese Stellschrauben können wir die prozessbestimmende Temperaturverteilung beeinflussen. Womit wir bei der entscheidenden Frage sind: Welche Veränderung wirkt sich wie auf die Temperaturverteilung aus?

Gerade in hoch aggressiven Glasschmelzen gestalten sich Messungen mit Thermoelementen oder Strömungsmessgeräten schwierig. Um zu analysieren, inwieweit sich das Temperaturprofil und damit auch der Prozess bei veränderter Leistungseinbringung verhält, ist stattdessen die numerische Simulation eine probate Methode.

Per Simulation lassen sich an jedem Ort zu jeder Zeit die skalaren und vektoriellen Größen auswerten – und das frei von bei Messungen unvermeidbaren, aber das Ergebnis verzerrenden Einflussfaktoren. Auch die Wechselwirkungen zwischen Elektrik und Temperatur bezieht die Simulation ein, wenn sie gekoppelt durchgeführt wird. Die Ergebnisse sind deshalb sehr realistisch.

Achtung, Technik: Simulationsschritte in Ansys

Wir halten fest: Unser Beispielprozess umfasst elektrische und thermische Effekte, die sich auch gegenseitig beeinflussen. Der Wärmestrom aus einer Gasflamme in Zusammenarbeit mit elektrischen Verlusten der Stromzuführung bestimmt das Temperaturfeld.

Um all diese Anforderungen zu erfüllen, enthält die Simulationssoftware Ansys das sogenannte „Coupled-Field“-System mit den notwendigen Randbedingungen und Lasten. Berücksichtigt wird auch der Massentransport; ebenso könnten bei Bedarf mechanische Effekte und Akustikphänomene einbezogen werden. Anwender können die für sie relevanten physikalischen Domänen anwählen und einbeziehen.

Apropos Kopplung: Bei der Simulation unterscheidet man zwischen schwacher Kopplung und starker bzw. Matrixkopplung. Bei einer schwachen Kopplung arbeiten die Teildisziplinen sequenziell. In unserem Beispiel würde zuerst die elektrische Matrix gelöst und die Verlustleistungsdichte ausgewertet werden. Diese Leistungsdichte wäre anschließend die Eingangsgröße für die thermische Berechnung. Das Temperaturfeld würde berechnet und zur Anpassung der Materialdaten an die Elektrik zurückgegeben.

Das „Coupled-Field“-System verwendet die starke Kopplung. Hier sind die jeweiligen Abhängigkeiten in der Matrix eingebaut, weshalb gleichzeitig eine konvergente Lösung für beide Teildisziplinen erreicht wird.

Nun gilt es, unter Berücksichtigung aller Einflussfaktoren das bestmögliche Verhältnis aus konventioneller und elektrischer Erwärmung zu ermitteln. Ein Demonstratormodell ermöglicht qualitative Studien zu den Zusammenhängen zwischen Input- (Temperatur der Gasflamme, Massenstrom des Glases, elektrische Spannung an den Elektroden) und Output-Größen (Temperatur am Abgusspunkt, Leistung Gas, Leistung Elektrik).

Simulation als Kompass auf dem Weg zum Ziel

Der Zusammenhang aus Input und Output wird durch externe Phänomene beeinflusst. Diese können sehr vielfältig sein, sie liegen als Erfahrungswerte, vorhandene Simulationsergebnisse oder aus anderen Quellen („Wärmeatlas“) vor. Der Ingenieur muss verstehen: Was ist relevant? Wie stark ist der Einfluss? Wie groß ist das Toleranzfenster bei veränderten Einflussfaktoren?

Manche Randbedingungen, wie z. B. konvektive Wärmeübergangs- oder Emissionskoeffizienten oder Materialdatenstreuungen bei unterschiedlichen Chargen, sind nicht genau bestimmbar und müssen abgeschätzt werden. Wichtig dabei ist vor allem, ob und inwieweit sie das eigentliche Ergebnis beeinflussen. Auf dem Weg zum idealen Prozess müssen daher nicht nur die idealen Parameter gefunden, sondern auch die irrelevanten aussortiert werden. Auch diese „was-wäre-wenn“-Szenarien lassen sich hervorragend in Ansys abbilden.

Quod erat demonstrandum

Zurück zum Beispiel: Wir suchen das ideale Verhalten von Gas und Strom und starten mit den Extrema, bei denen je ein Teil komplett abgeschaltet ist. Ziel ist eine Temperatur am Abguss von 1.400 Grad Celsius.

Während bei der Gasleistung aufgrund der örtlichen Nähe zur oben wirkenden Gasflamme eine frühere Erwärmung in Durchlaufrichtung eintritt, arbeitet die elektrische Energie insbesondere am kritischen Ort des Abgusses. Integral werden allerdings gleiche Leistungen benötigt, um das Glas auf die nötigen 1.400 Grad Celsius zu bringen.

Mittels einiger Parametervarianten ergibt sich in dem durch die Extrema abgesteckten Raum zum Erreichen der 1.400 Grad Celsius folgende Leistungsbilanz:

An dieser Stelle sei erwähnt, dass sonstige Verluste der Wärmebereitstellung nicht berücksichtigt sind und lediglich die für die Erwärmung bereitgestellte Leistung definiert wird. Während in Realität der Strom geringe Zuleitungsverluste aufweist, macht die über den „Schornstein“ verlorene Leistung der Gasflamme einen erheblichen Anteil aus.

Gekoppelte Simulationen helfen bei der Entscheidungsfindung

Letztlich zeigt sich: Dem Temperaturfeld ist es egal, ob die Erwärmung mittels Gas oder Strom durchgeführt wird, solange in Summe die gleiche Leistung in der Schmelze ankommt. Daraus ergibt sich, dass der Anwender den jeweiligen Anteil an Gas und Strom zwar prozesstechnisch frei wählen kann, allerdings aus wirtschaftlicher Sicht natürlich alle Wirkungsgrade von der Primärenergie bis zur Nutzenergie berücksichtigen muss. Mit Simulation geht das. Bei den enormen Preisschwankungen auf dem Energiemarkt liegt hier ein riesiges Einsparpotenzial.

Anhand des Beispiels aus der Glasproduktion wird deutlich, welche Innovationskraft in Simulationen steckt. Auch viele andere komplexe Prozesse lassen sich am Bildschirm detailliert und objektiv abbilden, analysieren und neu gestalten. Überall dort, wo sich mehrere physikalische und nichtlineare Teildisziplinen treffen und analytische Studien unmöglich sind, können gekoppelte Simulationen helfen. Bei der Cadfem Germany GmbH bearbeiten wir mit einem großen Team an Simulationsexperten viele unterschiedliche Projekte. Denn das Spektrum ist riesig und reicht von der Gestaltung von Produkten wie Stromsteckern über komplexe leistungselektronische Geräte bis hin zu Induktionserwärmungsprozessen.

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