de.wedoany.com-Bericht: Das EU-Projekt METAWAVE ersetzt konventionelle Gasbrennsysteme durch Mikrowellenplasma-Heizung und strebt eine Heizeffizienz von 70 % für den Keramikhersteller GRES ARAGÓN an. Dadurch soll der jährliche Energieverbrauch von 5,76 GWh auf 3,8 GWh gesenkt werden, was einer jährlichen Reduzierung von 427 Tonnen CO₂-Äquivalent entspricht. Der Brennprozess von Keramik, der üblicherweise Erdgas benötigt, um Temperaturen von 1100 °C bis 1200 °C zu erreichen, ist eine bedeutende Quelle industrieller Emissionen in der EU.
Der METAWAVE-Prototypofen ist als Dreizonensystem konzipiert, bestehend aus Vorwärm-, Brenn- und Kühlzone. Die Vorwärmzone nutzt elektrische Widerstände und zirkulierende heiße Luft aus der Brennzone, um die Fliesentemperatur zu erhöhen. Die Brennzone verwendet Plasmabrenner, die durch Mikrowellenenergie Strahlungshitze erzeugen. Die Kühlzone stabilisiert die Keramikprodukte durch dreistufige Umgebungsluftkühlung. Das Projektteam setzte Computational Fluid Dynamics (CFD)-Simulationen (ANSYS Fluent) ein, um die Wärmeübertragung und Fluidströmung im Ofen vorherzusagen und so Versuchskosten zu reduzieren. Im Bereich der Feuerfestmaterialien entwickelte die Universität Modena (UNIMORE) durch einen Geopolymerprozess neue recycelte Feuerfeststeine aus recyceltem Aluminiumoxid und Kyanit. Diese weisen eine Wärmeleitfähigkeit von 0,63 W/mK, eine maximale Temperaturbeständigkeit von 1200 °C und eine Dielektrizitätskonstante von 4,89-i0,05 auf, was eine thermische Isolierung gewährleistet, ohne das Mikrowellenfeld zu stören.
Im Bereich Überwachung und Steuerung setzt das Projekt faseroptische Sensoren und multispektrale Kurzwellen-Infrarot-Bildgebung ein, um in der Mikrowellenplasma-Umgebung kontinuierliche Temperaturverteilungen und Oberflächentemperaturmesswerte zu liefern. Die digitale Architektur basiert auf dem IEC-61499-Standard und überträgt Daten über CPSizer-Gateways sowie MQTT- und OPC-UA-Protokolle an die Kharon-Cloud-Plattform, wodurch eine Integration von Betriebstechnologie (OT) und Informationstechnologie (IT) erreicht wird. Im Bereich der Künstlichen Intelligenz entwickelte das Projekt physikalisch basierte reduzierte Ordnungsmodelle und integrierte diese mit datengetriebener KI. Ein Reinforcement-Learning-Agent optimiert die Steuerungsentscheidungen in Echtzeit. Das Energiemanagementsystem verwendet gemischt-ganzzahlige lineare Programmierung, kombiniert mit Modulen zur Prognose des Energiebedarfs und der Strompreise, um ein geschlossenes Energiemanagement mit virtuellen Kraftwerken zu ermöglichen.
Die numerische Modellierung und Simulation haben den angestrebten Brennzyklus erfolgreich reproduziert, und die stationäre Temperaturverteilung entspricht den Industriestandards. Eine vorläufige Umweltverträglichkeitsprüfung zeigt, dass die Verwendung von recycelten Feuerfestmaterialien aus recyceltem Aluminiumoxid technisch und ökologisch machbar ist. Das Projekt erwartet eine Energieeinsparung von 33,2 %. Die Synergie aus der 70%igen Heizeffizienz des Mikrowellenplasmas und der 5%igen Optimierung durch das digitale System führt dazu, dass die Hochtemperaturelektrifizierung wirtschaftlich und ökologisch bessere Leistungen erbringt als Erdgassysteme. Die modulare Beschaffenheit des auf dem IEC-61499-Steuerungsrahmen basierenden Steuerungssystems ermöglicht zudem eine Ausweitung der Plattform auf Bereiche wie die Asphaltproduktion und die Glasherstellung. In der nächsten Projektphase wird ein physischer Prototyp gebaut und unter realen Betriebsbedingungen getestet. Langfristig ist geplant, erneuerbaren Strom über virtuelle Kraftwerke zu integrieren, um die Kohlenstoffintensität zu eliminieren.
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