Relevante Energieformen
| Endenergieform | Nutzenergieform | Nebenenergieform(en) |
| Elektrische Energie (Strom) | Thermische Energie (Wärme) | Thermische Energie (Wärme) |
Kurzbeschreibung
Funktionsprinzip: Die Wärme wird erzeugt, indem ein dem Zweck angepasstes leitfähiges Material mit niedrigem elektrischem Widerstand von Strom durchflossen wird und sich dadurch erhitzt.
Für die direkte Widerstandserwärmung ist es durch hohen Strombedarf bei relativ niedrigen Spannungen gekennzeichnet.
Für die indirekte Widerstandserwärmung werden Heizleiter benötigt, die sich stark bezüglich der Temperaturabhängigkeit ihrer Leitfähigkeit unterscheiden.
Zur Leistungssteuerung können mehrere Widerstände parallel oder in Serie geschaltet werden, siehe unter anderem Siebentaktschaltung.
Materialien: Je nach Temperaturbereich kommen Metalle wie Molybdän und Molybdänverbindungen, Tantal und in Sonderfällen Platin oder keramische Leiter (meist Siliziumcarbide) und Graphit zur Anwendung. Gemäß DIN 17471 werden oft austenitische CrFeNi-Legierungen oder ferritische CrFeAl-Legierungen verwendet.
(Hofmann, W. 2011)
Funktionsskizze
Heizstange einer Elektroheizung mit angepassten Schamott-Steinen
Berechnung des Umwandlungswirkungsgrades, typische Werte
Prinzipieller Wirkungsgrad: η = 100 %
Technischer Wirkungsgrad mit Eigenbedarf (Vorwärmung): η ≈ 90 %
Bauarten
Neben dem Schmelzofen sind die Widerstandserwärmung von Werkstücken, von Walzgut, bestimmte Bauformen von Wassererhitzern und -verdampfern, sowie das Widerstandsschweiße.
Werkstück- und Elektrodenanordnung bei Widerstandsschweißen nach Lauster sind:
- Punktschweißen
- Rollnahtschweißen
- Buckelschweißen
- Wulstumpfschweißen
Betriebs-Charakteristika
| Bauart | Punktschweißen | Rollennahtschweißen | Buckelschweißen | Wulstumpfschweißen |
| Typisches Lastprofil Energieeingang (Endenergie) | konstant | konstant | konstant | konstant |
| Typisches Lastprofil Energieausgang (Nutzenergie) | dynamisch/stufenlos | dynamisch/stufenlos | dynamisch/stufenlos | dynamisch/stufenlos |
| Typische Anfahrzeiten | < 1 h | < 1 h | < 1 h | < 1 h |
| Regelbar? | Stufen | Stufen | Stufen | Stufen |
| Wandlungsrichtung umkehrbar? | nein | nein | nein | nein |
Energetische Kennwerte
| Bauart | Punktschweißen | Rollennahtschweißen | Buckelschweißen | Wulstumpfschweißen |
| Verfügbare Leistungsstufen/-klassen | > 6 | > 6 | > 6 | > 6 |
| Nennleistung oder vergleichbarer Wert | 100 W–1 MW | 100 W–1 MW | 100 W–1 MW | 100 W–1 MW |
| Abhängigkeit des Wirkungsgrades von der Auslastung | Abhängigkeit vernachlässigbar | Abhängigkeit vernachlässigbar | Abhängigkeit vernachlässigbar | Abhängigkeit vernachlässigbar |
| Nutzbarer Anteil an Verlustleistung vorhanden? | nein | nein | nein | nein |
Technologische Kennwerte
| Bauart | Punktschweißen | Rollennahtschweißen | Buckelschweißen | Wulstumpfschweißen |
| Negative Aspekte der Ökobilanz (alle Lebensphasen) |
End of Life (z. B. Recycling) | End of Life (z. B. Recycling) | End of Life (z. B. Recycling) | End of Life (z. B. Recycling) |
| Gefährdungspotential (niedrige Drücke und Temperaturen, keine giftigen oder explosiven Stoffe) |
geringes Gefährdungspotential | geringes Gefährdungspotential | geringes Gefährdungspotential | geringes Gefährdungspotential |
| Systemkomplexität | robuste Bauweise, einfach durch Laien zu bedienen | robuste Bauweise, einfach durch Laien zu bedienen | robuste Bauweise, einfach durch Laien zu bedienen | robuste Bauweise, einfach durch Laien zu bedienen |
Subjektive Technologie-Portfolio-Analyse
| Technologieattratktivität | Industrielle Umsetzbarkeit | Umsetzbarkeit | Ist es technisch denkbar, diese Technologie zur Bereitstellung von Energieflexibilität einzusetzen? (Grün = Ja, Gelb = Ggf., Rot =Nein) | |
| Komplexität | Wie komplex wäre der Einsatz dieser Technologie zur Bereitstellung von Energieflexibilität? (Grün = einfach, Gelb = eher komplex, Rot = sehr komplex oder nicht möglich) | |||
| Anwendbarkeit bei Industriepartnern | Wäre eine Flexibilisierung solcher Anlagen bei Industriepartnern direkt möglich? (Grün = Ja, Gelb=Nur mit größeren Umbaumaßnahmen, Rot = Nein) | |||
| Einsatzhäufigkeit und Verbreitung | Energetischer Impact | Hat die Technologie typischerweise einen bedeutenden Anteil am Strombedarf eines Fabrikbetriebes? (Grün = Tendenziell ja, Gelb = eher nicht, Rot = Nein (weil z.b. andere Energieträger)) | ||
| Verbreitung in Deutschland | Wie ist der Verbreitungsgrad der Technologie in Deutschland einzuschätzen? (Grün = hoch, Gelb = mittel, Grün = niedrig) | |||
| Umrüstaufwand und Integration | Technology Readiness Level | Wie weit ist die Technologie entwickelt? (Grün = TRL 7-9 Gelb = TRL 4-6, Rot = 1-3) | ||
| Grad der Prozessentkopplung | Wie stark beeinflusst die Anlage in der Regel den Hauptprozess? (Grün = Zwischen der Anlage und dem Hauptprozess befindet sich i.d.R. ein Speicher oder Netz, Gelb = Anlage ist tendentiell nahe am Prozess verbaut, Rot = Anlage hat i.d.R. direkt Einfluss auf den Prozess) | |||
| Möglichkeit des Energieträgerwechsels | Ist ein Energieträgerwechsel möglich? (Grün = Ja in der gleichen Anlage, Gelb = Mit einer zweiten Anlage, Rot = Nein) | |||
| Umrüstaufwand | Wie wird der Aufwand zur Befähigung der Anlage eingeschätzt? (Grün = niedrig, Gelb = mittel, Grün = noch) | |||
| Ressourcenstärke | Übertragbarkeit | Übertragbarkeit | Wie gut lässt sich eine Lösung zur Flexibilisierung dieser Anlage auf andere Anlagen übertragen? (Grün = Technologien sind immer ähnlich aufgebaut, Lösungen sind also übertragbar, Gelb = Keine Aussage möglich, Rot = Sehr Prozessspezifisch bzw. standortspezifisch) | |
| Wirtschaftlichkeit | Erschließungskosten der Maßnahme | Wie hoch sind die spezifischen Investitionshöhen (Grün = niedrig (z.B. nur andere Regelungsart), Gelb = mittel, Rot = hoch (z.B. teure zweite Anlage muss installiert werden) | ||
| Spezifische Wandlerkosten | Wie hoch sind die spezifischen Speicherkosten (Grün = niedrig, Gelb = mittel, Rot = hoch) | |||
| Abrufkosten der Maßnahme | Wie groß ist die Verlustleistung über die Zeit? (Standverluste, Grün = Langzeitspeicher Gelb = Stundenspeicher, Rot = Kurzzeitspeicher) | sehr stark fallabhängig |
Entwicklungstendenz
Es ist zur Zeit sehr gut entwickelt und kontrolliert von entsprechenden Normen. Zukünftige Tendenz ist hauptsächlich die Kosten der Materialien zu reduzieren und das Recycling des Abfall zu verbessern.
Zusammenfassung genereller Vor- und Nachteile
Vorteile
- geringere Anschaffungskosten
- hohe Betriebssicherheit
- geringerer Energieverbrauch
- lange Standzeiten der Isolierung und der Tiegel
- geringe Umwelt- und Arbeitsplatzbelastung durch Lärm und Wärme
- geringer Materialverlust durch Abbrand
- hochwertige Qualität der Schmelze durch Vermeidung von Gasaufnahme
- geringe Temperaturschwankungen
(ibw-irretier.de)
Nachteile
- sehr lange Vorheiz- und Nachwärme-Phase
- lange Erhitzungszeit wegen Konduktion
- geringe Empfindlichkeit (langsame Steuerung)
- großer Massenbedarf wegen Metall und Wärmeschutz
Anwendungsbeispiele
- Elektroherde zur Speisenzubereitung
- Elektrische Durchlauferhitzer zur Wassererwärmung
- Elektrische Lötkolben haben eine zylindrische Heizpatrone mit einer gewendelten Heizwicklung im Inneren oder ein selbstregelndes Heizelement (Kaltleiter, kurz PTC)
- Tauchsieder und Heizelemente in Wasserkochern sowie in Back- und Grillgeräten bestehen aus einem Rohr und einem gewendelten, gegen das Rohr isolierten Heizleiter im Inneren
- elektrische Fußbodenheizungen
- Heizelemente von Folienschweißgeräten haben ein flaches isoliertes Heizband
- Heizlüfter, Wäschetrockner, Heißluftpistolen und Haartrockner haben im Luftstrom eines Ventilators Heizwendeln oder Heizregister, teils auch frei gespannte Heizdrähte, oft aber auch metallisch gekapselte Heizwiderstände.
- Xerox-Kopierer und Laserdrucker verwenden Heizstäbe ähnlich einer Halogenglühlampe oder auch Dickschicht-Heizwiderstände zum Fixieren
- Thermodrucker in Faxgeräten oder Registrierkassen besitzen eine Zeile aus einzeln steuerbaren kleinen Widerstandselementen
- Elektrische Öfen für hohe Temperaturen besitzen Heizstäbe aus Siliziumcarbid
- Bei der Herstellung von Aluminium durch Schmelzflusselektrolyse im Hall-Héroult-Verfahren wird ein Teil der hohen Stromstärke (bis zu 330.000 A) dazu benötigt, die Schmelztemperatur der Aluminiumoxid-Kryolith-Schmelze durch Widerstandsheizung aufrechtzuerhalten
- Schmelz-Reduktionsöfen zur Erschmelzung von Produkten für das Hüttenwesen.
- Widerstandsbeheizte Schiffchen von Bedampfungsanlagen bestehen oft aus Wolfram-Blech
(Wikipedia)
Literaturverzeichnis
- Hofmann, W. (2011). Elektrowärme. Dubbel: Taschenbuch für den Maschinenbau, V66-V70.
- ibw-irretier.de: Heizen und Schmelzen mit elektrischen Widerstandsheizelementen, abgerufen am 6. Juni 2019
- Wikipedia: Heizwiderstand, aufgerufen am 5. Juni 2019