Definition des Technologiefeldes

Bei der Betrachtung dieses Technologiefelds erfolgt eine Fokussierung auf besonders wesentliche Technologien (Auswahlkriterien: Relevanz für den Energieverbrauch sowie Beitrag zum Erreichen der energie- und klimapolitischen Zielsetzungen).

Aus stromseitiger Sicht ist besonders die Bereitstellung mechanischer Energie durch Elektromotoren interessant, da sie mehr als zwei Drittel der industriellen Stromnachfrage verursachen und bedeutende Energieeinsparpotenziale bieten. Elektromotoren werden eingesetzt für Druckluftkompressoren, Ventilatoren, Pumpen, Förderzeuge, Werkzeuge, Kräne, Mischwerke, Zentrifugen etc.. Die hier im Fokus stehenden Rotationsmotoren bestehen generell aus einem fest stehenden Stator und einem beweglich gelagerten Rotor. Wenn elektrischer Strom durch den Motor fließt, versetzen abstoßende bzw. anziehende Kräfte zwischen Stator und Rotor den Rotor in eine Drehbewegung. Er treibt eine damit verbundene Welle an und stellt dadurch mechanische Energie bereit. Abhängig von Kriterien wie Stromversorgung, Bauart oder Synchronizität von Feld und Rotor lassen sich verschiedene Arten von Elektromotoren unterscheiden. Die den Markt dominierenden Wechselstrommotoren lassen sich in zwei Klassen einteilen: Asynchronmotoren, bei denen sich der Rotor langsamer als das angelegte elektromagnetische Feld dreht, und Synchronmotoren, bei denen Rotor und Feld die gleiche Geschwindigkeit besitzen.
Für die industrielle Wärmebereitstellung sind als weitere Querschnittstechnologie große industrielle Hochtemperaturwärmepumpen besonders interessant. Wärmepumpen können unter Einsatz von Antriebsenergie thermische Energie von einer Wärmequelle mit einem niedrigen Temperaturniveau auf eine Wärmesenke mit einem höheren Temperaturniveau übertragen. Wärmequellen sind hier neben Luft, Erdreich oder Grundwasser insbesondere Abwärmeströme aus industriellen Prozessen. Typische Wärmesenken sind wiederum andere Industrieprozesse, die ein bestimmtes Temperaturniveau erfordern. Die hier betrachteten großen industriellen Wärmepumpen werden hinsichtlich Leistung und Temperaturniveau folgendermaßen näher eingegrenzt: Als Größenklasse wird eine Leistungsuntergrenze von 100 kWth festgelegt, als Temperaturbereich wird von einer Vorlauftemperatur über 100 °C ausgegangen.

Ein dritter Bereich, der sich in den vergangenen Jahren besonders dynamisch entwickelt hat, ist die Nutzung generativer Fertigungsverfahren (auch als additive Verfahren bezeichnet). Hierbei handelt es sich um Fertigungsverfahren, bei denen ein Bauteil auf der Grundlage eines Computermodells durch Anfertigen und Verbinden einzelner Materialmengen, häufig in Form einzelner Schichten, schrittweise aufgebaut wird. Mit generativen Fertigungsverfahren lassen sich verschiedene Werkstoffe wie Metalle, Kunststoffe, Keramiken oder auch Papier bearbeiten. Ausgangspunkt zahlreicher generativer Verfahren ist ein Bett pulverförmiger Werkstoffe; so z. B. auch beim Laser-Sintern, bei dem die Pulverkörnchen durch einen Laser schichtweise verschmolzen und miteinander verbunden werden. Zum Laser-Sintern gibt es eine Reihe eng verwandter Verfahrensvarianten wie das Laser-Strahlschmelzen oder das Elektronen-Strahlschmelzen. Andere Verfahrenswege sind u. a. das 3D-Drucken, das Layer Laminated Manufacturing, die Stereolithographie, das Digital Light Processing, das Thermotransfer-Sintern, das Fused Layer Modelling oder das Multi-Jet Modelling.

Aktueller Stand der Technologie

Elektromotoren werden heute breit in industriellen Anwendungen genutzt, Dreiphasen- Käfigläufermotoren sind mit Abstand am weitesten verbreitet. Während für einige Anwendungen gesetzlich ein Mindesteffizienzniveau der Klasse IE 3 vorgegeben ist, lässt sich mit den genannten Motoren unter Beibehaltung von Baugrößenrestriktionen und Wirtschaftlichkeit bereits heute die höhere Effizienzklasse IE4 erreichen. Daneben wurden auch netzanlauffähige Permanentmagnet-Synchronmotoren, Frequenzumrichter gestützte und geschaltete Reluktanzmotoren im IE4-Segment auf den Markt gebracht. Gerade Permanentmagnet-Synchronmotoren gelten in Verbindung mit einem Frequenzumrichter als reife Technologie zum Erreichen der IE4- Klassifikation. Das Erreichen der noch weiter darüber hinaus gehenden Klasse IE5 gilt derzeit noch als schwierig zu realisieren (ca. TRL 4).

Mit Blick auf den Einsatz großer industrieller (Hochtemperatur-)Wärmepumpen (ca. TRL 4) ist die durch die Wärmepumpe erreichbare Vorlauftemperatur ein wesentlicher Parameter für die technisch realisierbaren Einsparpotenziale in der Industrie. Wärmepumpen können aktuell bei Vorlauftemperaturen bis 100 °C eingesetzt werden, wobei im Prototypenbau Temperaturen bis 125 °C erreicht werden. Darüber hinausgehende Vorlauftemperaturen wurden derzeit nur durch einzelne Laboranlagen realisiert und sind noch Gegenstand der Forschung. Hinsichtlich des Leistungsbereichs industrieller Großwärmepumpen wurde in den vergangenen Jahren bereits eine deutliche Weiterentwicklung des Marktangebots erreicht: Während 2008 ein thermischer Leistungsbereich von 100 bis etwa 1.500 kWth Stand der Technik war, wurde das Leistungsspektrum bis 2014 auf 20.000 kWth ausgeweitet. Aktuelle Entwicklungsaktivitäten betreffen unter anderem den Verdichter, die Anpassung der Wärmepumpen an spezifische Anforderungen wie hohe Temperaturspreizungen und die Weiterentwicklung von Hochtemperaturarbeitsmitteln.

Generative Fertigungsverfahren haben sich mit der zunehmenden Verbreitung computergestützter Designsoftware (CAD-Technik) seit den späten 1980er Jahren etabliert. In den letzten Jahren haben die Verfahren durch immer breitere Anwendungsmöglichkeiten und durch Kostensenkungen bei der technischen Infrastruktur an Bedeutung gewonnen. Derzeit werden generative Fertigungsverfahren mit variierendem Reifegrad (ca. TRL 5) in unterschiedlichen Branchen und Bereichen eingesetzt (Fahrzeugbau, Luft- und Raumfahrtindustrie, Maschinenbau, chemische Erzeugnisse, medizinische Geräte und Produkte, Instrumente und Messtechnik), wo sie für komplexe Einzelteile, Prototypen und Kleinserien genutzt werden. Heutzutage gilt die Verarbeitung von Kunststoff und Metall im industriellen Umfeld generell als Stand der Technik, während die Verarbeitung von Keramiken und anderen Werkstoffen wenig verbreitet ist.

Quellen