Flüssiges Eisen schießt weiß glühend in die Abstichrinne. Die dabei freigesetzte Hitzewelle macht Besuchern eindrucksvoll die Energieströme im Gießereibetrieb fühlbar. Für den Schmelzprozess im Kupolofen werden große Mengen an Kohlenstoff (Koks) umgesetzt. Dabei entsteht als Nebenprodukt ein brennbares Prozessgas. Dieses sogenannte Kupolofengas hat einen geringen Heizwert und wird bisher komplett für die Heißwinderzeugung des Kupolofens im Rekuperator verbrannt. Doch dabei werden nur etwa 35% der enthaltenen Energie thermisch genutzt. Nun können auch die bisher in den meisten Gießereien nicht genutzten restlichen 65% der chemisch gebundenen Energie verwendet werden: Ein modifiziertes Biogas-Blockheiz-Kraftwerk läuft mit Kupolofengas (KOG) aus dem Schmelzofen.

Wolfgang Adler und Jörg Adam vom Betriebsforschungsinstitut BFI, zwei der Entwickler des neuen Systems, erklären: „Bisher überschüssige, nicht im Ofenbetrieb nutzbare heizwertarme Prozessgase verbrennen nicht weiter nutzlos, ein neu entwickelter Zündstrahlmotor verbrennt das Kupolofengas; die erzeugte elektrische Energie geht ins Betriebsnetz, die thermische Energie fließt über den Rekuperator in die Heißwinderzeugung für den Schmelzofen. Durch die Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) wird nun ein Gesamt-Wirkungsgrad von 80% erreicht.“

Die möglichst umfassende Nutzung des gesamten Kupolofengases im Werk lohnt sich, Energiekosten und CO2-Emission sinken, und die Wirtschaftlichkeit verbessert sich. Bisher werden auf Deutschland hochgerechnet jährlich ca. 3.000 TJ Energie aus Kupolofengas nur unzureichend genutzt, wenn in Kupol- oder Schachtöfen energieintensiv Metall für die Gusseisenherstellung geschmolzen wird.

Angesichts der unzureichenden Nutzung dieser Energie wurde in einem Verbundvorhaben mit einer Eisengießerei und einem Gasmotorenhersteller erstmalig eine Anlage zur gekoppelten Strom- und Wärmeerzeugung aus Kupolofen- beziehungsweise Gichtgas für den industriellen Einsatz entwickelt und betrieblich erprobt. Die wichtigsten Ziele dieses Forschungsvorhabens waren, Energieverbrauch und CO2-Emission in Gießereibetrieben zu reduzieren, unter Beibehaltung der Zuverlässigkeit des Kupolofenbetriebs und der hohen Qualität der Gussprodukte. Dabei lag die Herausforderung für die Forscher in der vollständigen motorischen Verbrennung des sehr heizwertarmen Prozessgases. Die Forscher testeten die KWK-Anlage erfolgreich am Prüfstand und erstellten Konzepte zur betrieblichen Einbindung für verschiedene Betriebsweisen des Kupolofens.

Bisher wird das von Staub und Begleitstoffen gereinigte Kupolofengas meist im Rekuperator (Wärmetauscher) verbrannt, die freigesetzte thermische Energie wird für die Heißwinderzeugung genutzt. Bei dem neu entwickelten System fließt der dafür nicht zwingend benötigte Anteil des Prozessgases im Bypass zum KOG-Motor, der elektrische Energie erzeugt und mit seinem Abgas zur Heißwinderzeugung im Rekuperator beiträgt. Das Motorabgas wird im Rekuperator nachverbrannt. Die Abwärme der Motorkühlung dient zur Vorwärmung der Brennluft für den Rekuperator; damit wird die Abwärme fast vollständig in den Kupolofen-Prozess eingebunden.

Mangelt es aus produktionstechnischen Gründen an Prozessgas, kann die Motorleistung bis auf Teillast gesenkt oder die Zündölzufuhr gesteigert werden. Da die Anzahl der Abschaltvorgänge des Motors möglichst gering gehalten werden sollte, um eine lange Haltbarkeit zu erzielen, ist ein kontinuierlicher Betrieb des Kupolofens eine Voraussetzung für den Einsatz der neuartigen Technologie. Bei den Hüttenwerken Krupp Mannesmann (HKM) in Duisburg wurde der Zündstrahlmotor an einer Brennerversuchsanlage des BFI an das Gasnetz des Werkes angebunden und mit Gichtgas aus dem Hochofen betrieben. Das Gichtgas im Hüttenwerk ähnelt stark dem Kupolofengas und wurde für die Betriebsversuche derart konditioniert, dass es in der Zusammensetzung konventionellem Kupolofengas entsprach.

In verschiedenen Versuchsreihen sowohl an der BFI-Brennerversuchsanlage als auch bei der Schnell Motoren AG konnten die Forscher die Betriebsweise des Zündstrahlmotors mit niederkalorischen Prozessgasen sukzessive optimieren. Wichtig ist es, schlagartige Heizwertschwankungen des Brenngases zu vermeiden, da sonst Motorschäden durch lokale Überhitzungen an Zylinderkopf und Abgassystem drohen.

Die Untersuchungen zeigten, dass der elektrische Wirkungsgrad des Zündstrahlmotors im Betrieb mit Kupolofengas zwischen 35 und 40% liegt. Da die Motorabwärme weitgehend in den Produktionsprozess zurückgeführt werden kann, steigt der Gesamtwirkungsgrad der KWK-Anlage auf über 80%. Der Anteil an Zündöl (Diesel, RME oder Pflanzenöl) liegt hierbei bei unter 10%. Der weiterentwickelte Zündstrahlmotor erreicht eine elektrische Leistung von etwa 210 kW; pro Stunde verbraucht er dann knapp 800 m³ KO-Gas.