Feuer und Flamme für Forschung

Investitionen in Forschung und Entwicklung gehen mit der Wettbewerbsfähigkeit zusammen: Insbesondere die beiden Megatrends Dekarbonisierung und Digitalisierung befeuern die Entwicklung neuer Produkte und Projekte. Firmen der Thermoprozesstechnik bleiben nur dann erfolgreich, wenn sie ihren technologischen Vorsprung durch Innovationen vergrößern.

In Renningen bei Stuttgart entwickelt und produziert die WS Wärmeprozesstechnik GmbH energieeffiziente Industriebrenner für Märkte auf der ganzen Welt. Bei einem Besuch in den Werkshallen wird der Grund des Erfolgs deutlich: Hier sind Erfinder am Werk, die ihr Produkt kontinuierlich weiter entwickeln. Zentral sind dabei schadstoffarme Verbrennungsprozesse.

Das Unternehmen hat sich auf energiesparende Gasbeheizungssysteme für Industrieöfen fokussiert. Es steht für eine Technik bei Verbrennern, die in den energieintensiven Schlüsseltechnologien global eine effizientere Energieverwendung und deutliche Emissionsminderungen erlaubt. Im Zentrum ist dabei das Verfahren der flammenlosen Oxidation (FLOX®). Mit einer nuancierten Durchmischung von Brenngas, Brennluft und rückzirkulierendem Abgas erfolgt eine flammenlose Verbrennung. Vielen Kunden fragen nach einer solchen Brennertechnologie. „Unser Anspruch bei WS ist es, Lösungen anbieten zu können, die über einen breiten Temperaturbereich zuverlässig NO_x-Werte unterhalb von 100 mg/Nm³ erreichen. Und dies bei einem gleichzeitig sehr hohen feuerungstechnischen Wirkungsgrad von über 80 %. Unsere Lösungen sind bereits heute gerüstet für die Zukunft grüner Brennstoffe“, sagt Dr.-Ing. Joachim G. Wünning, Geschäftsführer der WS Wärmeprozesstechnik GmbH.

Auch neue Geschäftsfelder sind ein bedeutsamer Teil der Entwicklung des Unternehmens. Joachim G. Wünning hat mit Partnern die BtX energy GmbH im bayerischen Hof konstituiert. Mit dem Ansatz, Wasserstoff aus Biogas zu erzeugen, hat das Unternehmen einen Plan entwickelt, das die dezentrale Herstellung von Wasserstoff möglich macht. Ein neues Unternehmen, ein neuer Markt: Insbesondere für den Brennerhersteller ist es bedeutend, sich mit nachhaltigen Gasen und umweltfreundlicher Wärmeerzeugung ausein­anderzusetzen. Hier müssen frühzeitig neue Produkte in den Markt eingeführt werden.

Forschung ist das Fundament des Erfolgs

Mehr als acht Milliarden Euro hat der deutsche Maschinen- und Anlagenbau im Jahr 2019 in die Forschung & Entwicklung investiert. Laut einer Umfrage des Stifterverbands ist dies ein Anstieg von 5,8 Prozent im Vergleich zum Vorjahr. So ist ein vorläufiger Höchststand erreicht worden. In der Forschung und Entwicklung waren im Jahr 2019 knapp 53.000 Personen beschäftigt - ein Zuwachs von gut fünf Prozent.

„Die Zahlen belegen, dass der mittelständische Maschinen- und Anlagenbau einer der wichtigsten Innovationstreiber der Industrie ist. Die Unternehmen beherrschen die Produktionswelten und sind Lösungsgeber für die gesamte Volkswirtschaft - energieeffizient, nachhaltig und hochinnovativ“, erklärte Hartmut Rauen, stellvertretender VDMA-Hauptgeschäftsführer.

Laut Umfragen ist die Bedeutung der Forschung und Entwicklung in der Branche auch während der Corona-Pandemie auf hohem Niveau geblieben. Bezüglich der Digitalisierung hat die Geschwindigkeit der Entwicklung in der Forschung noch deutlich zugenommen.  Die beiden Megatrends Dekarbonisierung und Digitalisierung wirken auf die Forschungslandschaft ein. Dies zeigen auch die Projekte vieler Forschungsinstitute und der Forschungsgemeinschaft Industrieofenbau e.V.

“Für Deutschland mit seiner leistungsfähigen Wirtschaft ist eine leistungsfähige Forschung essentiell, nur mit kontinuierlicher Innovation werden wir im globalen Wettbewerb bestehen können”, mahnt Hansjochen Oertel, Vorsitzender der Forschungsgemeinschaft Industrieofenbau e.V. (FOGI) im VDMA Metallurgy. In der FOGI sind führende Industrieofenbauer vertreten, die gemeinsam an neuen Forschungsprojekten arbeiten.

Auch für Harald Berger von der Aichelin Gruppe, einem Hersteller von Wärmebehandlungsanlagen mit weltweit rund 1.100 Mitarbeitern, ist die Forschung und Entwicklung von entscheidender Bedeutung für den globale Leistungskraft der Gruppe:

„Forschung und Entwicklung auf der Basis von Kundenanforderungen und Markttrends war und ist für die Aichelin Gruppe immer wichtig, um die aktuellen Herausforderungen, wie Dekarbonisierung, Elektromobilität und Ressourcenschonung an führender Position mitzugestalten“, betont Berger, der für die Marktkommunikation verantwortlich ist und seit Jahrzehnten bei dem Unternehmen mit Sitz im österreichischen Mödling arbeitet.

Additive Fertigung bietet neue Möglichkeiten

Um die Emissionen zukünftig zu reduzieren, nutzt Jens te Kaat, Geschäftsführer der Firma von KueppersSolutions, die additive Fertigung zur Herstellung energieeffizienter Brenner. Im Jahr 2019 hat KueppersSolution die Neuentwicklung einer 3D-gedruckten Mischeinheit vorgestellt. „Wir sind sehr stolz, einen Beitrag leisten zu können, um Verbrennungsprozesse in der Industrie umweltfreundlicher zu gestalten“, betont Geschäftsführer Jens te Kaat. Der additiv gefertigte Rekuperatorbrenner (kurz AdReku) verwendet Abwärme, um die Brenngase effizienzsteigernd vorzuwärmen. Er erreicht beim Vorwärmen der Verbrennungsluft einen Wirkungsgrad von über 80 Prozent. Möglich macht dies eine spezielle Materialkombination und eine einzigartige Geometrie im Rekuperator, die im 3D-Druck hergestellt wird. Ein 3D-Druck-Gasmischsystem vermeidet zudem ansteigende Stickoxidwerte im Abgas. Der Brennstoffbedarf sowie der Emissionsausstoß industrieller Thermoprozessanlagen lässt sich so erheblich senken. Messreihen am Gas- und Wärme-Institut Essen (GWI) haben die Parameter nachgewiesen.

Die Einsatzfelder sind vielfältig: Im Forschungsprojekt OptiLBO wollen das Gas- und Wärme-Institut Essen, die Georgsmarienhütte Holding, KueppersSolutions und Küttner Automation die sekundäre Stahlherstellung deutlich effizienter und nachhaltiger aufstellen. Deutsche Stahlwerke produzieren rund 12 Mio. t Sekundärstahl im Jahr. Wird der dafür benötigte Energieverbrauch um 20 % minimiert, spart dies etwa 120 GWh Energie und 20.700 t CO2. Eine Energiemenge, die sich mit mehr als 4.000 durchschnittliche Einfamilienhäuser gleichsetzen lässt. In dem Projekt OptiLBO untersuchen die Forschenden deshalb die Herstellung im Elektrolichtbogenofen. Anwendungsbeispiel ist das Stahlwerk Bous im Saarland der Projektpartnerin Georgsmarienhütte Holding. Hier sollen innovative Brennersysteme und eine geschickte Steuerung installiert werden, um bis zu 25 Prozent weniger Erdgas zu verbrauchen. Mithilfe der fortentwickelten Technologie ließen sich dann in einem Jahr rund 5 GWh Energie und fast 900 t CO₂ einsparen.

Wasserstoff - der Energieträger der Zukunft

Die Dekarbonisierung ist neben der Digitalisierung der bedeutsamste Treiber für die Innovation im metallurgischen Anlagenbau. Spätestens im Jahr 2045 soll Wasserstoff die Kohle und das Erdgas in der Thermoprozesstechnik und der Stahlherstellung substituieren. Die zukünftigen Anpassungen des Energieträgers Gas durch den Ersatz oder die Zumischung von Wasserstoff wirken erheblich auf die Auslegung, Konstruktion und Sicherheitstechnik von industriellen Feuerungsanlagen. Eines ist sicher: Die Innovationsgeschwindigkeit wird in den kommenden Jahren zunehmen müssen, da das Ende fossiler Energieträger längst eingeläutet worden ist.