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Energieeffizienz in der
Kunststoffverarbeitung und intelligente
Energiespeicherung mit Kunststoffen
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Michael Koch
Workshop I: Umweltfreundliche Energien und Energiespeicherung –
neue Ansätze für ein nachhaltiges Europa
LEG, Erfurt 10. Mai 2010
KTI
Statements
1
Kunststoff ist ein energie-sparsamer Werkstoff
2
Der Energieeinsatz bei der Verarbeitung von Thermoplasten
kann um mehr als 30% gesenkt werden
3
Ausbildung und innovative Technologie sind ausschlaggebend
4
Energiespeicherung mit Kunststoffen ist zielführend
5
Mobilitäts- und Wohnraumkonditionierung
KTI
10.Mai 2010
Bild 1
Energie und Kunststoffe
Energieaufwand in der Herstellung:
Kunststoff ist ein „energie-sparsamer“ Werkstoff
Material
Schmelztemperatur [ °c ]
Glasübergang
-33%
-76%
-33%
KTI
10.Mai 2010
Bild 2
Energie und Kunststoffe
Schmelze
Graphit
Kohlefaser
Diamant
3650
3650
Wolfram
Titancarbid
Platin
Stahl
Kupfer
Gold
Aluminium
Zinn
3380
3100
1770
1300 - 1520
1083
1063
650
232
Polyimid
PTFE
PET
PC
PVC
PA
PS
PP
HDPE
LDPE
Zersetzung
3500
400
130
70
149
80
50 - 75
90 - 100
-20
-125
-125
320
250
267
180-215
220 - 260
110
165
175
130
310
320
190 - 230
240 - 275
Verarbeitung ist Aufschmelzen, Formen & Abkühlen:
Energiereduktionspotenziale von 30% und mehr
Nebenfunktionen
Hauptfunktionen
1.
2.
3.
1
4.
5.
6.
Plastifizieren
Einspritzen
Werkzeug öffnen und schließen &
Schließkraftaufbau
Aggregatanlage
Auswerfer
Werkzeugfunktionen
Verkettungsblock
Kernzug
Hydraulikblock:
Schließdruck
Auswerfer
Verriegelung
2
Hydraulikblock
Spritzeiheit
5
6
4
NebenstromFilterung u.-Kühlung
KTI
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Elektro-hydraulscihe
Antriebseinheiten
Bild 3
Verteilerblock
Schließeinheit
Energie und Kunststoffe
Hydraulikblock
Werkzeugbewegung
3
Luftventile
Verkettungsblock
Kernzug
Quelle: Werkbild Ferromatik Milacron
Vier Einsparpotenziale
Verfahrenstechnik
Maschinentechnik
Energie-Harvesting
• Wärmerückgewinnung
− Werkzeug
− Kühlsysteme
(z.B.Impulskühlung)
− Antriebssysteme
• Energiewandlung
Hydraulisch
Umsetzung der
tatsächlich erforderlichen
Verarbeitungsenergie:
2.
•
0,88-0,96
Maschineneinstellung
Formgebung
−
−
3.
η1
Aufschmelzen
−
Formauslegung
Prozessführung
Wärmegewinnung bei der
Abkühlung
Ventile + Rohre + Leitungen
Zylinder
Wirkungsgrad
1.
Hydraulikmotor
Hydraulikpumpe
Motor
η2
•
0,78-0,95
1
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
η3
•
η4
= ηtotal
0,65-0,9
0,33-0,74
0,9-0,98
0,46-0,8
0,75-0,9
Voll-elektrisch
Getriebe
Motor
Riemen+KGT
η1
•
η2
Produktionsplanung
• Betriebspunktorientierte
Maschinenbelegung
• Fabrikbetrieb
= ηtotal
0,91-0,95
0,8-0,91
0,88-0,94
0,77-0,9
0,88-0,96
Hydraulisch
Voll-elektrisch
Kunststoffe sind neue Werkstoffe: Ausbildung und innovative Technologien
KTI
10.Mai 2010
Bild 4
Energie und Kunststoffe
Auswirkungen für Formteile
Vorteile:
Geringer Energieverbrauch
Gute Reproduzierbarkeit
Einsatzvielfalt
Schnelle Zyklen
Sauber & leise
Geringere Wartungsaufwendungen
Reduzierte Teileherstellkosten
Nachteile:
Begrenzte Druckhaltefunktion
Begrenzte Einspritzgeschwindigkeiten
Aufstellfläche (Kniehebel = lang)
Steife Schließeinheit (Kniehebel)
Höhere Investitionsaufwendung
KTI
10.Mai 2010
Seite 5
Energie und Kunststoffe
Kunststoffe lassen sich hervorragend konditionieren:
Energiespeicherung – als Speicher und Isolator
25
Material
sensibel
Kupfer
Gold
Aluminium
Wolfram
Magnesium
Chrom
Stahl (ferritisch)
Titan
Stahl (austenitisch)
370 - 395
312
210-230
162
170
90
30 - 60
22
13 - 17
Quarzglas
Glas
1,4
0,7 - 1,1
15
Energie
5
Temperatur
Sensible Wärmespeicherung
Wärme wird direkt in die Erwärmung eines Materials umgesetzt.
Latente Wärmespeicherung
Wärme wird für Phasenumwandlungsprozesse genutzt
(Kristallisation, chem. Prozesse), die Temperaturerhöhung findet
(ideal) erst nach dem Abschluss dieser Prozesse statt. Für Kunststoffe
sind damit alle teilkristallinen thermoplastischen Materialien
interessant (Paraffine, PE, PP, etc.)
Dichte (< 1gr/cm³), Wärmeleitfähigkeit (0,2 W/m K), spez.
Wärmekapazität (1-2 J/ g K), Schmelzenthalpie (ca.300 J/ g)
KTI
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Bild 6
Wärmeleitfähigkeit [W/mK]
latent
Energie und Kunststoffe
GFK
PET
PVC
PA
PS
PP
HDPE
LDPE
PS geschäumt
Luft
0,31 - 0,44
0,28
0,19
0,25 - 0,35
0,17
0,23
0,43
0,35
0,025
0,05
Neue Mobilitätsquellen erfordern neue Wärmenutzung:
Latentwärmespeicher in der Elektromobilität
Verteilung des Erfolgspotentials
Verbrennungsmotor /Range Extender
Reibbremse
Bereich des
erfolgsversprechenden
Potentials
Elektromotor
Batterie (thermisch)
Batterie (elektrisch)
Getriebe
Achsgetriebe
Feder-Dämpferelement
Wärmequellen
Wärmesenken
0
5
10
15
20
25
30
35
Quelle: Studie TU Ilmenau
Quelle: http://allblueprint.blogspot.com/2008/12/bmw-m6-coupe-2007.html
KTI
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Bild 7
Energie und Kunststoffe
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Große Volumina, gute Isolation & leichte Aufstellung:
Raumenergie aus Solarthermie jederzeit abrufbar
Forcierte Anwendungsfelder der letzten Jahre:
• Pufferung von fluktuierenden Wärmequellen
(regenerative Energien)
• Nutzung der Temperaturunterschiede
zwischen Tag und Nacht zur
Raumklimatisierung
• Abwärmenutzung in industriellen Prozessen,
BHKW, etc.
Herausforderungen der kommenden Jahre:
• Behälterbautechnik aus FVK
• Isolationsmaterialien für Speicher und
Leitungssysteme
• Wirkungsgradverbesserung der
Wärmeübertagung
Isolierter FVK
Wärmespeicher
Quelle: VKA, Schönbrunn
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Bild 8
Energie und Kunststoffe