Das Bestreben Klimaneutralität zu erzielen, erreicht auch die Glasindustrie. Neben der Verwendung nachhaltigerer Brennstoffe (wie Wasserstoff oder Biogas) wird der Ruf nach der Einbeziehung von grünerer Energie zur Verringerung der Kohlendioxidemissionen immer lauter. Ein häufig verwendetes Schlagwort in diesem Zusammenhang ist die „Hybrid"-Wanne. Doch was versteht man unter einer Hybridwanne?
Das einfache Vorhandensein beider Arten von Energie in der Wanne?
Gleicher Beitrag aus elektrischen und fossilen Quellen?
Hohe Flexibilität zwischen überwiegend fossilem und überwiegend elektrischem Beitrag?
Der Glasschmelztechnologiespezialist HORN definiert eine Wanne als hybrid, wenn beide Energieformen - elektrisch und fossil - für einen ausreichenden Betrieb erforderlich sind. Daher würde eine U-Flammenwanne mit elektrischem Boosting von bis zu 10-15% nicht als Hybridwanne gelten, während ein 50/50 Beitrag aus fossilen und elektrischen Quellen eindeutig als Hybridwanne zu bezeichnen wäre.
Um den Bedürfnissen der Kunden gerecht zu werden, hat HORN die folgenden Wannenkategorien entwickelt, die sich in Bezug auf den Gesamtstromanteil, die Energieflexibilität und das Grundprinzip unterscheiden (U-Flammenwanne, Querflammenwanne; Oxyfuel und vertikales elektrisches Schmelzen):
• Klassische fossile Wanne (bis zu 20% elektrische Leistung
- U-Flammenwanne
- Querflammenwanne
- Oxyfuel-Wanne
• Hybrid-Wanne (20 bis 40/50% elektrische Leistung)
- Hybrid U-Flammenwanne (Hybrid EFF)
- Hybrid-Oxyfuel-Wanne (Hybrid OXY)
• Superhybrid-Wanne (20 to 80% elektrische Leistung)
- Super-Hybrid-Oxyfuel-Wanne (Super-Hybrid-OXY)
• Vollelektrische Schmelzwanne (100% elektrische Leistung)
Die Wannen der Kategorie hybrid-fossil stellen den evolutionären Schritt von den klassisch fossilen Wannen im Behälterglas hin zu mehr elektrischer Leistung dar, während die Superhybrid-Wannen dieses Konzept zu einem noch höheren elektrischen Anteil weiterführen.
Allgemeine Bemerkungen
Um eine erhöhte elektrische Leistung in die Glasschmelze einbringen zu können, ist eine höhere Anzahl von Elektroden notwendig. Positioniert man diese Elektroden großflächig verteilt über den Boden des Bassins, ist eine negative Beeinflussung der typischen Konvektionsströmung in der Wanne sehr wahrscheinlich. Aus diesem Grund bevorzugt HORN eine bestimmte Positionierung der Elektroden, um die Beeinflussung zu minimieren und die typische Konvektion so weit wie möglich zu erhalten.
Ein abnehmender Anteil an fossiler Energie senkt die Temperatur im Gewölbe und im Oberbau, unabhängig davon welche Art der Beheizung eingesetzt wird. Die Auswahl der Feuerfestmaterialien muss sorgfältig an den Flexibilitätsbereich der Energie und an die Wannenatmosphäre angepasst werden.
Hybrid-U-Flammenwanne (Hybrid-EFF)
Zusätzlich zu den niedrigeren Temperaturen kann die Reduzierung der fossilen Energie weitere Probleme nach sich ziehen.
Bei einer verminderten Menge an fossilen Brennstoffen sinkt auch die benötigte Menge an Verbrennungsluft. Die Folge ist ein geringerer Volumenstrom durch den Regenerator und den Brennerhals und damit eine geringere Geschwindigkeit der Verbrennungsluft am Brennerhals, was zu einer instabilen Flamme und damit möglicherweise auch zu einer unzureichenden Verbrennung führen kann. Zusätzlich verkürzt sich aufgrund der geringeren Geschwindigkeit die Flammenlänge und die Temperaturverteilung im Verbrennungsraum ändert sich. Um die Flammenstabilität zu erhalten und den typischen ansteigenden Temperaturgradienten zum "Hot-Spot" hin zu bewahren, wird die Technologie der Abgasrezirkulation eingesetzt.
Das Prinzip dieser Technologie besteht darin, einen Teil der Abgase am Regeneratorfuß der abziehenden Seite abzuzweigen und mit der Verbrennungsluft auf der Luftseite zu vermischen. Durch das erhöhte Volumen werden die Geschwindigkeiten am Brennerhals wieder auf ein akzeptables Niveau gebracht. Dadurch wird die Flamme stabilisiert und der Temperaturverlauf im Verbrennungsraum beibehalten.
Da diese Technologie stufenlos regelbar ist, kann ein Bereich der Energieflexibilität geschaffen werden. Das bedeutet, dass der gesamte elektrische Anteil von 20 % bis zum Maximalwert von 40 % variiert werden kann, wobei das Grundprinzip der U-Flammenwanne erhalten bleibt.
Im Vergleich zu einer vollständig fossil beheizten U-Flammenwanne können die CO2-Emissionen beim Schmelzen (CO2 aus Gemengegasen nicht berücksichtigt) um bis zu 45% reduziert werden.
Hybrid-Oxyfuel-Wanne (Hybrid OXY)
Im Verbrennungsraum ermöglicht die Anordnung mehrerer Sauerstoffbrenner entlang der Seitenwände eine genaue Regulierung der Temperaturverteilung durch entsprechende Anpassung der Gasverteilung.
Bei einem hohen Anteil an elektrischer Energie kann z.B. die Gasverteilung mehr in Richtung des Läuterteils verschoben werden, während die Energie im Schmelzbereich überwiegend über die Elektroden bereitgestellt wird.
Dies erhöht die Energieflexibilität im Vergleich zum Hybrid EFF noch weiter. Ausgehend von einem durchgängigen Verbrennungsraum kann die Wanne mit bis zu 50 % elektrischer Energie betrieben werden, mit einem Minimum von etwa 20 %. Im Vergleich zu einer vollständig fossil beheizten Oxyfuel-Wanne können die CO2-Emissionen beim Schmelzen um bis zu 50 % reduziert werden.
Super-Hybrid-Oxyfuel-Wanne (Super hybrid OXY)
Durch die Einführung der Option einer "Schattenwand", einer Wand, die den Verbrennungsraum unterteilt und somit die Strahlung von den heißeren (Läuterteil) zu den kälteren Teilen (Schmelzbereich) unterbindet, ergibt sich die Möglichkeit eines noch höheren Anteils elektrischer Leistung (bis zu 80%). Die heißen Rauchgase aus der Verbrennung über dem Läuterteil werden weiterhin (teilweise) über das Gemenge zum Abzug geführt. Während sie über die Gemengeeinlage strömen, geben die heißen Gase durch Strahlung und Konvektion Wärme an das kalte Gemenge ab, wodurch eine Wärmerückgewinnungszone entsteht. Dadurch wird sowohl die Temperatur der Abgase gesenkt, als auch die zum Schmelzen des Gemenges benötigte Energie leicht reduziert. Das Potenzial zur Reduzierung der CO2 -Emissionen ist bei diesem Konzept noch höher.
Trotz des hohen maximalen elektrischen Anteils und der Flexibilität bleibt bei diesen Konzepten das Grundprinzip des horizontalen Schmelzprozesses in einer Oxyfuel-Wanne erhalten.
Fazit
Die Glasindustrie ist eine sehr konservative Branche und eine Wanne stellt eine hohe Investition für den Hersteller dar. Daher ergibt es durchaus Sinn, mit den HORN-Hybrid-U-Flammenwannen und den HORN-Oxyhybridwannen eine Art Zwischenschritt, zwischen den bestehenden, klassischen Wannen und den hybriden Konzepten mit einem sehr hohen Anteil elektrischer Leistung, zu gehen.
