Von der Forschung zum Megawatt-Prototypen
TPS | WERNER WIGGEN, Managing Director
Von der Forschung zum Megawatt-Prototypen
Induktiv gekoppeltes Plasma als Schlüsseltechnologie für die elektrische Prozesswärme
Die Dekarbonisierung energieintensiver Industrieprozesse gehört zu den größten Herausforderungen der kommenden Jahre. Besonders in der Aluminiumindustrie stehen Unternehmen vor der Aufgabe, fossile Brennstoffe wie Erdgas durch klimafreundliche Alternativen zu ersetzen, ohne dabei Einbußen bei Produktqualität, Wirtschaftlichkeit oder Anlagenverfügbarkeit in Kauf nehmen zu müssen. Eine vielversprechende Lösung hierfür ist die Nutzung von Plasma als elektrische Wärmequelle. TPS entwickelt dazu eine neue Technologie, mit der konventionelle Erdgasbrenner vollständig ersetzt werden können. Dies geschieht durch induktiv gekoppelte Plasmabrenner, die speziell für industrielle Hochtemperaturprozesse ausgelegt sind.
PLASMA ALS WÄRMEQUELLE DER ZUKUNFT
Plasma wird häufig als vierter Aggregatzustand der Materie bezeichnet. Wird einem Gas ausreichend Energie zugeführt, werden Elektronen aus ihren atomaren Bindungen gelöst. Es entsteht ein elektrischleitfähiges Medium aus Ionen, Elektronen und neutralen Teilchen. Natürliche Beispiele für Plasma sind Blitze oder die Sonne.
Für thermische Industrieprozesse bietet Plasma entscheidende Vorteile. Da die Energie direkt elektrisch eingekoppelt wird, kann die Wärme vollständig CO2-frei erzeugt werden, sofern Strom aus erneuerbaren Quellen eingesetzt wird. Gleichzeitig erlaubt die Technologie eine gezielte Einstellung der Prozessatmosphäre durch die Wahl geeigneter Prozessgase. Darüber hinaus ermöglicht die kompakte Bauweise eine vergleichsweise einfache Integration in bestehende Ofenanlagen und reduziert den Aufwand für Umrüstungen erheblich.
Grundsätzlich existieren unterschiedliche Plasma-Technologien. Während Lichtbogenplasmen bereits in hohen Leistungsbereichen verfügbar sind, verursachen sie durch Elektrodenverschleiß einen erhöhten Wartungsaufwand. Mikrowellenplasmen eignen sich vor allem für kleinere Leistungen unterhalb von etwa 100 kW. Für industrielle Anwendungen im Megawattbereich bietet die induktiv gekoppelte Plasmatechnologie die größten Potenziale hinsichtlich Effizienz, Betriebskosten und Wartungsaufwand.
SYSTEMATISCHE ENTWICKLUNG ÜBER MEHRERE JAHRE
Die Entwicklungsarbeiten unter Führung der TPS begannen mit Machbarkeitsstudien an der TU Bergakademie Freiberg. Erste Versuche bestätigten, dass Aluminium grundsätzlich mit Plasma geschmolzen werden kann. Gleichzeitig wurden positive metallurgische Effekte beobachtet, darunter eine geringe Oxidbildung sowie niedrige Wasserstoffeinlagerungen im Metall.
Parallel dazu hat TPS am Karlsruher Institut für Technologie verschiedene Plasma-Konzepte für industrielle Ofensysteme untersucht. Die Analysen zeigten, dass induktiv gekoppelte Plasmen insbesondere bei hohen Leistungen deutlich größere wirtschaftliche Potenziale bieten als alternative Plasma-Technologien.
In den folgenden Jahren konzentrierten sich die Arbeiten auf die Optimierung von Plasmaparametern, Leistungselektronik und Brennergeometrie. Zahlreiche Simulationen und Versuche führten zu einer kontinuierlichen Verbesserung der Effizienz und ermöglichten den Betrieb mit verschiedenen Prozessgasen wie Stickstoff, Luft, Sauerstoff und Kohlendioxid.
Ein wichtiger Meilenstein wurde im Mai 2025 erreicht. Erstmals konnte ein Aluminiumschmelzofen ausschließlich mit einem TPS-Plasmabrenner betrieben werden. Dabei wurden 100 kg Aluminium vollständig mit Plasma geschmolzen. Die Ergebnisse zeigten eine sehr geringe Drossbildung sowie vielversprechende metallurgische Eigenschaften des erschmolzenen Metalls.
DER SCHRITT IN DEN MEGAWATTBEREICH
Nach dem erfolgreichen Nachweis im Pilotmaßstab liegt der aktuelle Fokus auf der Skalierung der Technologie für industrielle Anwendungen. Am Standort Ranshofen wird derzeit ein Forschungs- und Entwicklungsaufbau mit einer Leistung von einem Megawatt betrieben. Dieser bildet die Grundlage für den Übergang von der Entwicklungsphase zur industriellen Nutzung.
Die Anlage basiert auf einer neu entwickelten modulare Leistungselektronik mit einer Leistung von 1 MW je modul, die den Betrieb eines induktiv gekoppelten Plasmabrenners im für die Industrie relevanten Leistungsbereich ermöglicht.
Besonders bemerkenswert sind die erwarteten Wirkungsgrade. Während bisherige Lösungen oft durch hohe Verluste in der Leistungselektronik begrenzt wurden, erreicht das TPS-Konzept einen Brennerwirkungsgrad von rund 88 bis 89 Prozent. Dies beinhaltet alle Umwandlungsverluste im Brenner und in der Leistungselektronik. Damit erreicht die Technologie einen Bereich, der eine wirtschaftliche Elektrifizierung energieintensiver Hochtemperaturprozesse ermöglicht.
Ein weiterer Vorteil liegt in den extrem hohen Plasmatemperaturen von deutlich über 10.000 °C. Dadurch kann Wärme mit vergleichsweise geringen Prozessgasvolumenströmen übertragen werden. Im Vergleich zu konventionellen Brennersystemen reduziert dies die Abgasverluste und verbessert die Energieausnutzung im Ofen.
NÄCHSTER MEILENSTEIN: INDUSTRIELLER DEMONSTRATOR
Der nächste Entwicklungsschritt ist dieses Jahr die Integration eines 750-kW-Demonstrators in einen Aluminiumschmelzofen, in dem das System zu produktionsnahen Bedingungen getestet werden soll. Ziel ist es, die Technologie zu validieren und Daten zu Energieverbrauch, Prozessstabilität, Schmelzleistung, Emissionen und Metallqualität zu gewinnen.
Die bisherigen Ergebnisse zeigen, dass induktiv gekoppelte Plasmen das Potenzial besitzen, einen wesentlichen Beitrag zur Dekarbonisierung thermischer Industrieprozesse zu leisten. Mit dem aktuellen 1-MW-Prototypen hat TPS einen entscheidenden Entwicklungsschritt erreicht und schafft die Grundlage für den Einsatz dieser Technologie im industriellen Maßstab.