Energieeffiziente Herstellung von Mangan-Eisenlegierungen durch Vorverarbeitung: Thermische Vorbehandlung mithilfe von Sonnenenergie
Im Forschungsprojekt PreMa untersuchen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler für den Herstellungsprozess von Mangan-Eisenlegierungen unterschiedliche Ansätze zur CO2-Reduktion. In vorangegangenen Projekten fanden Forschende der norwegischen Forschungsorganisation SINTEF heraus, dass eine thermische Vorbehandlung des Manganerzes die CO2-Emissionen und den Gesamtenergieverbrauch bei der Produktion von Mangan-Ferrolegierungen um jeweils circa 20 Prozent verringern. Für die Vorbehandlung untersuchen die Forschenden unterschiedliche innovative Technologien, wie die Weiterverwertung CO-reicher Abgasströme, welche aus dem Mangan-Lichtbogenofen ausgasen, regenerative und fossile Kohlenstoffverbindungen, sowie konzentrierende Hochtemperatur-Solartechnik.
Forschende des DLR-Instituts für Solarforschung entwickeln nun eine Anlage mit thermischer Vorwärmtechnik durch Solarwärme für die Manganerz-Vorverarbeitung. Mit der Untersuchung der Vorproduktion von Manganerzen gibt PreMa Antworten auf den Bedarf energieintensiver Industrien, ihre Produktionsprozesse und Betriebsabläufe an eine zunehmend nachhaltige, aber stark schwankende Energieversorgung anzupassen.
In den letzten Jahren zeigte die weltweite Nachfrage nach Mangan-Legierungen eine steigende Tendenz und erreichte 2018 ein Niveau von etwa 22 Millionen Tonnen. Für die Produktion von Mangan-Legierungen wird sehr viel Strom und Wärme benötigt, die aktuell fast vollständig durch das Verbrennen fossiler Energieträger erzeugt werden. Um diesen Emissionsfußabdruck zu verringern, sind neue Technologien gefragt, die es ermöglichen erneuerbare Energien als Energiequelle für den Prozess zu nutzen. Sie tragen dazu bei, die CO2 Emissionen bei der Herstellung von Mangan-Legierungen zu verringern und das Verfahren durch die verwendeten Energiequellen nachhaltiger und flexibler und damit wettbewerbsfähiger zu gestalten.
Mangan-Eisenlegierungen mithilfe von Sonnenenergie herstellen
Die Vorbehandlung von Manganerzen erhöht die Energieflexibilität und Energieeffizienz, verbessert die Rohstoffnutzung von Feinerz und verringert die CO2-Emissionen bei der Herstellung von Mangan-Legierungen.
Das Hauptkonzept von PreMa besteht darin, den Gesamtenergieverbrauch und die CO2-Emissionen bei der Herstellung von Mangan-Legierungen zu senken, hierbei werden Technologien erforscht, welche auch die Energieflexibilität erhöhen und die Nutzung nachhaltiger Energiequellen ermöglichen. Die Forschenden wollen den aktuellen Herstellungsprozess von Mangan-Legierungen im Lichtbogenofen (engl. submerged arc furnace, SAF) um einen Prozessschritt davor mit der thermischen Vorbehandlung des Mangan-Erzes ergänzen. Alternative Energiequellen wie Bio-Kohlenstoff, CO-reiches Abgas und konzentrierende Hochtemperatur-Solartechnik werden hierzu auf ihre Eignung als Wärmelieferant getestet.
Im Rahmen des Projekts entwickeln die Forschenden verschiedene Vorbehandlungstechnologien und demonstrieren diese in Verbindung mit unterschiedlichen Energiequellen.
Energieeffizientere Produktionsprozesse, reduzierte Kosten und verbesserte Prozesssicherheit
Durch das Forschungsprojekt PreMa verbessert sich die Rohstoffnutzung von Feinerz. Die Vorbehandlung von Manganerzen
Außerdem gestalten die Wissenschaftler/innen die Technologie so flexibel, dass sie leicht an die spezifischen Bedürfnisse und Produktionswege der einzelnen Mangan-Hersteller anzupassen ist, wobei der Hauptunterschied in der Verwendung verschiedener Erze besteht.
Ein teilweiser Ersatz der fossilen Energieträger durch nachhaltige Energie sollen die Betriebskosten und die Höhe der Kosten für die in Europa geforderte CO2-Steuer reduzieren. Es wird erwartet, dass die Integration der neuartigen PreMa Vorbehandlungstechnologien in die derzeit von den Schmelzwerken angewandten Verfahren zu folgenden Ergebnissen führen:
Aufgabe des DLR
Forschende des DLR-Instituts für Solarforschung entwickeln eine neue Technologie des Wärmeübertragers, mit dem die Wärme der Sonne zur thermischen Vorreduktion von Manganerz für eine nachhaltige Produktion von Mangan-Legierungen genutzt werden kann.
In einem Heliostatfeld konzentrieren viele Spiegel die einfallenden Sonnenstrahlen auf einen Partikelreceiver am Solarturm. Hier erhitzen sich Keramikpartikel auf bis zu 1000 Grad Celsius und rieseln von oben nach unten durch den neu entwickelten Riesel-Luft-Direktkontakt-Wärmeübertrager. Von unten strömt gleichzeitig kalte Luft in den Wärmeübertrager und erwärmt sich auf dem Weg nach oben auf bis zu 800 Grad auf. Die so erzeugte heiße Luft kann nun zur thermischen Vorbehandlung des Mangan-Erzes weiterverwendet werden. Eine geeignete Anlage, in welcher mit der erzeugten Heißluft das Mangan-Erz vorgewärmt wird, wird von der Firma MINTEK aus Südafrika entwickelt. Als eine von drei technologischen Optionen zur Vorverarbeitung von Manganerz forscht das DLR-Institut für Solarforschung an der Hochtemperatur-Solartechnik. Das Helmholtz Zentrum Dresden-Rossendorf, die norwegische Forschungsorganisation SINTEF und die technisch-naturwissenschaftliche Universität Norwegens (NTNU) vergleichen die verschiedenen Technologien zur Vorwärmung mittels eines Life Cycle Assessment (LCA).
Multinationale Zusammenarbeit im PreMa-Konsortium: führende Forschungsorganisationen und Manganerz verarbeitende Industrien
Das PreMa Konsortium besteht aus allen Herstellern von Mangan-Legierungen in Westeuropa und einem aus Südafrika, innovativen Technologieanbietern für die Mangan-Verarbeitung und die Nutzung erneuerbarer Energiequellen sowie Forschungs- und Hochschuleinrichtungen mit weltweitem Fachwissen über die Verarbeitung von Mangan-Erzen und die Nutzung der Solarthermie. Das im Konsortium zusammengebrachte Fachwissen der unterschiedlichen Partner ermöglicht es, die gesamte Wertschöpfungskette und verschiedene spezifische Bedürfnisse für die Entwicklung in PreMa abzudecken. Die multinationale Zusammenarbeit stärkt die Zusammenarbeit zwischen Afrika und der EU im Bereich der Rohstoffe.
Dieses Projekt wurde mit Mitteln aus dem Forschungs- und Innovationsprogramm Horizon 2020 der Europäischen Union gefördert (Fördervereinbarung Nummer: 820561)