Elektrifizierung

Die Elektrifizierung thermischer Prozesse ist ein möglicher Pfad, die Effizienz zu steigern und Energiequellen zu diversifizieren. Für die elektrische Beheizung und Temperierung industrieller Prozesse stehen heute unterschiedliche Technologien und Anlagensysteme zur Verfügung. Schlüsselkomponente sind die Heizelemente in Form von Drähten oder Blechen sowie keramische Heizelemente, beispielsweise auf Basis von Grafit, Siliciumcarbid oder Molybdändisilizid. Auch Keramik-Metall-Kombinationen mit gedruckten Dickschichtstrukturen ermöglichen eine gezielte elektrische Beheizung. Je nach Prozessanforderung wird die Umwandlung von elektrischer in thermische Energie mittels Widerstandsheizung, induktiver Einkopplung, Lichtbogen- und Plasmaverfahren sowie Mikrowellen-, Laser- oder Lichtbeheizung verfahrenstechnisch realisiert. Die verschiedenen Ansätze unterscheiden sich insbesondere hinsichtlich Dynamik, Energieeintrag und Wirkungsgrad sowie ihrer Eignung für unterschiedliche Prozessbedingungen und -aufgaben.
 

Keramische Lösungen für neue Temperaturbereiche und Anwendungen
 

Neue keramische Werkstoffe und Werkstoffkombinationen erweitern dieses technologische Spektrum und verschieben die bisherigen Grenzen elektrischer Verfahren. Mit einer breiten Werkstoffbasis, die von klassischen Siliciumcarbid-Heizelementen bis zu neuartigen keramischen Heizleiterwerkstoffen reicht, entwickelt das Fraunhofer IKTS Lösungen für Temperaturen vom kryostatischen Bereich bis über 3000 °C und für Leistungsklassen vom Watt- bis in den Megawatt-Bereich. Sie bieten hohe Zuverlässigkeit, Langlebigkeit und Energieeffizienz und bewähren sich auch unter herausfordernden Betriebsbedingungen, etwa bei hohen Temperaturen, in korrosiven Atmosphären oder unter starken thermischen Belastungen. Dadurch können selbst Prozesse elektrifiziert werden, die wegen energetischer oder wirtschaftlicher Gründe auf die Verbrennung fossiler Energieträger angewiesen waren.

Passend zu den Prozess- und Systemanforderung kommen unterschiedliche technologische Ansätze zum Einsatz. Das Spektrum umfasst verschiedene Beheizungsverfahren ebenso wie Lösungen für Kontaktierung und Systemintegration, Monitoring sowie eine anwendungsspezifische Fertigung und Gestaltung.

1. Widerstandsbeheizung

Keramische Widerstandsheizer auf Basis von Siliciumcarbid, Keramik-Kompositen, Titan- und Zirkonoxiden, refraktären Carbiden und Nitriden sowie leitfähigen Gläsern und Keramikpulvern erweitern die Einsatzgrenzen etablierter Heizsysteme und können die Investions- und Betriebskosten reduzieren. Durch die gezielte Werkstoffauswahl und Werkstoffanpassung lassen sich höhere Einsatztemperaturen und optimale Heizleistungen erreichen und das Eigenschaftsspektrum an die jeweilige Anwendung anpassen. Gleichzeitig ermöglichen keramische Werkstoffe eine hohe Beständigkeit gegenüber chemisch-korrosiven Umgebungen. Ein Beispiel sind Heizelemente aus Zirkoncarbid (ZrC), die bei Hochtemperaturprozessen eine Alternative zu Wolfram oder Molybdän darstellen. ZrC-Heizelemente bieten eine höhere thermomechanische Stabilität, sind kostengünstiger und kommen ohne kritische Rohstoffe aus.

Darüber hinaus können Heizelemente mehrere Funktionen in einem Bauteil vereinen. Neben der Wärmebereitstellung lassen sich Temperaturmessung und -regelung, Gassensorik, Zustandsüberwachung oder automatische Abschaltfunktionen integrieren. So wird aus dem reinen Heizelement eine multifunktionale Komponente, die zusätzliche Komponenten zur Prozesssteuerung einspart.
 

2. Induktive Beheizung

Bei der induktiven Beheizung wird Wärme berührungslos über ein elektromagnetisches Feld in einen sogenannten Suszeptor eingekoppelt, der die Beheizung übernimmt. Elektrisch leitfähige Keramiken können die Suszeptorfunktion übernehmen, wenn ihre elektrischen Eigenschaften gezielt mit den Induktionsparametern abgestimmt werden. Dadurch können die Vorteile induktiver Energiewandlung auch mit keramischen Werkstoffen genutzt werden, die wiederum ihre Vorteile wie Hochtemperaturstabilität, Korrosionsbeständigkeit oder geringe thermische Masse einbringen.

Die Auswahl geeigneter keramischer Werkstoffe erweitert dabei insbesondere die zugänglichen Temperatur- und Prozessbereiche. Sie eröffnet Möglichkeiten für die induktive Hochtemperaturbeheizung unter Bedingungen, bei denen etablierte Werkstoffe an ihre Grenzen stoßen oder auch lokale Aufheizung für prozessoptimierten Energieeinsatz.
 

3. Plasma- und Lichtbogenbeheizung

Keramische Werkstoffe eröffnen auch für Plasma- und Lichtbogenverfahren neue Gestaltungsspielräume. Im Fokus stehen insbesondere langzeitstabile Elektroden, deren elektrische Eigenschaften an die jeweilige Anwendung angepasst und mit weiteren Funktionen kombiniert werden können.
 

4. Systemintegration und Prozessüberwachung

Die Leistungsfähigkeit keramischer Heizlösungen wird wesentlich durch ihre Einbindung in das Gesamtsystem bestimmt. Deshalb werden bei der Entwicklung neben den Eigenschaften der keramischen Werkstoffe auch die thermischen, elektrischen und verfahrenstechnischen Anforderungen des jeweiligen Prozesses berücksichtigt. Ziel ist es, Energieeffizienz, Langzeitstabilität und Wartungsaufwand für das gesamte System hinweg zu optimieren.

Dazu gehört auch die zuverlässige elektrische Kontaktierung der Heizelemente. Keramik-Metall-Kombinationen ermöglichen hochtemperaturstabile Verbindungen mit abgestimmten thermischen und elektrischen Eigenschaften, je nach Temperatur- und Einsatzbereich kommen auch kostengünstige Kleblösungen infrage.

Gleichzeitig werden zentrale Prozessparameter wie Aufheiz- und Abkühlraten, Temperaturverteilung und Wärmetransfer auf die jeweilige Anwendung abgestimmt. So lassen sich beispielsweise direkt elektrisch beheizbare Katalysatorträger, Filter- und Membranstrukturen sowie durchströmbare Heizelemente realisieren.

Sensorik und Zustandsüberwachung ergänzen die Systembetrachtung: Prozessoptimierte Sensorlösungen erfassen relevante Prozess- und Zustandsdaten und ermöglichen die Überwachung einzelner Komponenten. So können Heiz-, Sensor- und Überwachungsfunktionen bereits bei der Entwicklung zusammen gedacht und in ein Gesamtsystem integriert werden.
 

5. Flexible Fertigung und Gestaltung

Unterschiedliche Fertigungsverfahren schaffen große geometrische und funktionale Freiheitsgrade. Neben klassischen keramischen Verfahren wie Pressen, Extrudieren und Foliengießen stehen additive Fertigungsverfahren sowie Keramik-Metall-Verbunde zur Verfügung. Das Spektrum reicht damit von großformatigen bis zu miniaturisierten Komponenten und von der homogenen Flächenheizung bis zur gezielten lokalen Wärmeeinbringung.