Ofen-Retrofit:

Die Aluminiumindustrie befindet sich in einem tiefgreifenden Transformationsprozess. Steigende Energiepreise, regulatorischer Druck und ambitionierte Klimaziele erfordern neue Lösungen zur Reduktion von CO₂-Emissionen bei gleichzeitig steigender Produktivität. Während die Primärproduktion weiterhin energieintensiv bleibt, liegt ein entscheidender Hebel in der Optimierung bestehender Schmelzprozesse.

Ein besonders vielversprechender Ansatz ist die Elektrifizierung bestehender gasbefeuerter Schmelzöfen durch Retrofit-Lösungen. Mit dem Metal Flow Heater steht hierfür ein innovatives, patentiertes System zur Verfügung, das bestehende Anlagen effizient modernisiert, ohne eine vollständige Neuinvestition zu erfordern.

Der Metal Flow Heater kombiniert zwei bewährte Technologien: 

• induktive Erwärmung 
• elektromagnetische Förderung der Schmelze.

Das System ermöglicht es, flüssiges Aluminium gezielt aus dem Ofen auszuschleusen, in einem externen induktiv beheizten Tiegel zu erhitzen und anschließend wieder zurückzuführen. Dadurch wird die Energie direkt in die Schmelze eingebracht – mit deutlich geringeren Verlusten als bei konventioneller Gasbeheizung.

Das Prozessprinzip basiert auf einer definierten Schmelzführung: Die Schmelze wird über den Ofenboden eingebracht und verlässt den Ofen auf einer geometrisch definierten Höhe über ein Steigrohr. Eine elektromagnetische Pumpe (EMP) fördert das flüssige Metall aus dem Schmelzraum in den Metal Flow Heater.

Die elektromagnetische Pumpe transportiert das flüssige Aluminium aus der Gießkammer des Gasofens kontinuierlich in den Induktionsofen. Innerhalb dieses Systems steigt die Schmelze auf, wird gezielt erhitzt und fließt über eine geometrisch gestaltete Überlaufzone zurück in die Schmelzkammer des Ofens. Dort vermischt sich das erhitzte Metall mit der vorhandenen kühleren Schmelze und sorgt für eine homogene Temperaturverteilung und das Aufschmelzen des neu chargierten Materials. 

Dank der hohen Förderleistung elektromagnetischer Pumpen sind dabei Durchsätze von bis zu 10 t/min (ca. 600 t/h) keine Seltenheit und ermöglichen somit eine äußerst dynamische und leistungsfähige Prozessführung auch bei großen Ofenanlagen.

Ein entscheidender Vorteil:
Gas wird lediglich während der Startphase benötigt. Nach dem Aufschmelzen kann der Prozess vollständig elektrisch betrieben werden.

Die elektromagnetische Pumpe arbeitet mit einem wandernden elektromagnetischen Feld, das die Bewegung der Schmelze erzeugt. Otto Junker EMP-Systeme mit moderner IGBT-Technologie ermöglichen verschiedene Schaltungsvarianten und bieten maximale Flexibilität im Betrieb

Der eingesetzte Otto Junker Tiegelinduktor arbeitet mit moderner IGBT-Technologie und erreicht einen Leistungsfaktor von über 0,95. Die Betriebsfrequenz liegt bei etwa 250 Hz. Dies ist optimal für diese Anwendung, da Turbulenzen reduziert und Schaumbildung auf der Aluminiumschmelze minimiert werden.

Ein zentraler Erfolgsfaktor des Systems ist seine Retrofit-Fähigkeit. Der Metal Flow Heater kann in bestehende Anlagen integriert werden, ohne grundlegende Änderungen am Ofendesign.

Dies ermöglicht:

• Minimale Stillstandszeiten (minimal downtime)
• Schnelle Implementierung
• Niedrige Investitionshürden
• Schrittweise Dekarbonisierung bestehender Anlagen

Im Gegensatz zu kompletten Neubauten bleibt die bestehende Infrastruktur erhalten, wodurch Investitionsaufwand signifikant reduziert und projektspezifische Risiken minimiert werden.

Praxisvalidierung und Skalierung

Erste industrielle Anwendungen zeigen das Potenzial des Systems. Ein Prototyp wurde erfolgreich auf einer 1,5-Tonnen-Anlage mit einer Induktionsleistung von 300 kW betrieben.

Die Ergebnisse zeigen:

• Stabiler Betrieb unter realen Bedingungen
• Signifikante Energieeinsparungen
• Verbesserte Prozesskontrolle

Aktuell erfolgt die Skalierung auf industrielle Ofengrößen bis zu 150 Tonnen.

Technologische und wirtschaftliche Vorteile

Die Einführung des Metal Flow Heater bietet eine Kombination aus ökologischen und ökonomischen Vorteilen:

1. Steigerung der Energieeffizienz (increase in efficiency)
   Durch direkte Energieeinbringung in die Schmelze werden Wärmeverluste reduziert. Im Vergleich zu konventionellen Brennersystemen steigt die Effizienz signifikant.
2. Reduktion der CO₂-Emissionen (lower carbon emissions)
   Die Nutzung von elektrischer Energie – insbesondere aus erneuerbaren Quellen – ermöglicht eine drastische Reduktion der CO₂-Emissionen.
3. Erhöhung des Durchsatzes (increase throughput)
   Zusätzliche Heizleistung führt zu höheren Schmelzraten und steigert die Produktivität bestehender Anlagen.
4. Minimale Stillstandszeiten (minimal downtime)
   Dank Retrofit-Ansatz erfolgt die Integration ohne lange Produktionsunterbrechungen.
5. Patentiertes System (patented system)
   Die Kombination aus elektromagnetischer Pumpe und Induktionstechnologie ist technologisch einzigartig und geschützt.

Beispielhafte Anwendung und energetische Bewertung

Zur Einordnung des technologischen und wirtschaftlichen Potenzials kann folgende beispielhafte Anwendung herangezogen werden:

Ein konventionell gasbeheizter Aluminium-Schmelzofen mit einer Kapazität von ca. 120–130 t erreicht einen Jahresdurchsatz von rund 50.000 t/a. Der effektive Schmelzbetrieb liegt dabei typischerweise bei 60–70 %, während die verbleibende Zeit auf Rüst-, Verteil- und Nebenzeiten entfällt.

Der monatliche Erdgasverbrauch liegt in einem solchen Szenario bei etwa 4.500–5.000 MWh, was einem jährlichen Energieeinsatz von rund 55–66 GWh/a entspricht.

Durch die Nachrüstung mit einem Metal Flow Heater wird der bestehende Ofen hybridisiert. Als induktive Heizkomponente kommt ein Otto Junker Tiegelinduktor (Typ MFT) mit einer Leistung von 3.000 kW und einer Betriebsfrequenz von ca. 250 Hz zum Einsatz. Fassungsvermögen 4t Aluminium. 

Die nutzbare elektrische Energie dieses Systems beträgt etwa 16,75 GWh pro Jahr.

Auf Basis dieser Konfiguration ergeben sich zwei wesentliche Betriebsstrategien:

1. Leistungssteigerung (Produktivitätsmodus)
   Durch die zusätzliche elektrische Energieeinbringung kann die Schmelzleistung rechnerisch um etwa 54 % gesteigert werden. Dies ermöglicht eine signifikante Erhöhung des Durchsatzes bei gleichbleibender Ofenstruktur.
2. Energieoptimierung (Dekarbonisierungsmodus)
   Alternativ kann bei konstantem Produktionsoutput der Erdgasverbrauch um rechnerisch etwa 54 % reduziert werden. Dies führt zu einer erheblichen Senkung der CO₂-Emissionen sowie der Energiekosten.

Dieses Beispiel verdeutlicht, dass der Metal Flow Heater sowohl als Produktivitäts-Booster als auch als Dekarbonisierungslösung eingesetzt werden kann – je nach strategischer Zielsetzung des Anlagenbetreibers

Einordnung in die industrielle Transformation

Die Elektrifizierung von Schmelzprozessen ist ein zentraler Baustein für die Dekarbonisierung der Aluminiumindustrie. Ähnlich wie bei der thermischen Vorbehandlung im Recyclingprozess, bei der Energie gezielt genutzt wird, ermöglicht auch der Metal Flow Heater eine deutlich effizientere Prozessführung.

Der Ansatz fügt sich damit nahtlos in moderne Konzepte der Kreislaufwirtschaft ein, bei denen Energieeffizienz und CO₂-Reduktion zentrale Rollen spielen.

Fazit

Der Metal Flow Heater stellt eine praxistaugliche Lösung zur Elektrifizierung bestehender Schmelzöfen dar. Durch die Kombination aus Retrofit-Fähigkeit, Effizienzsteigerung und Emissionsreduktion ermöglicht das System eine wirtschaftlich attraktive Transformation bestehender Anlagen.

Für Aluminiumproduzenten bedeutet dies:

• Reduzierte Betriebskosten
• Höhere Flexibilität im Energieeinsatz
• Zukunftssicherheit im Hinblick auf CO₂-Regularien

Damit ist der Metal Flow Heater ein entscheidender Baustein für die nachhaltige Weiterentwicklung der Aluminiumindustrie.