CO₂-neutral Process Heating for Carburizing Furnaces – an Ecological Analysis*

1 Einleitung

Das Pariser Klimaabkommen von 2015 [1] zielt auf eine massive Senkung der weltweiten CO₂-Emissionen ab. Dies erfordert Anstrengungen insbesondere in Industrien, in denen eine Reduzierung der Emissionen nur schwer zu erreichen ist, z. B. in der Stahlverarbeitung. Auf Grundlage dessen hat die Europäische Union 2019 ihren Green Deal [2] veröffentlicht und das Ziel einer CO₂- Reduzierung von 50 % bis 2030 und 80–95 % bis 2050, bezogen auf die Emissionen von 1990, formuliert. Der deutsche Strommix setzt sich aus verschiedenen fossilen und erneuerbaren Quellen zusammen. Die angestrebte Entwicklung des entsprechenden CO₂-Emissionsfaktors ist in Tabelle 1 aufgeführt. Um die formulierten Ziele in der stahlverarbeitenden Industrie zu erreichen, müssen fossile Brennstoffe entweder durch elektrische Energie oder durch erneuerbare Energieträger wie Wasserstoff ersetzt werden. In Deutschland [3], anderen Ländern [4] und der Europäischen Union [5] wurden aus diesem Grund verschiedene Wasserstoffstrategien veröffentlicht. Diese Strategien enthalten Roadmaps für die industrielle Nutzung von (grünem) Wasserstoff.

Die Bearbeitung spezieller Bauteile, z. B. Zahn- oder Kegelräder in der Automobilindustrie, ist besonders wirtschaftlich, wenn die verwendeten Stähle einen niedrigen Kohlenstoffgehalt aufweisen. Der Einsatz solcher Getriebeteile erfordert ein gutes Ermüdungsverhalten. Die gestellten Anforderungen können durch die Einsatzhärtung dieser Bauteile erreicht werden. Das Verfahren ist in DIN 17022-3 [7] definiert und kombiniert eine Wärmebehandlung in einer aufkohlenden Atmosphäre mit einem Härteprozess. Ziel des Verfahrens ist es, eine definierte Einsatzhärtetiefe, d. h. eine definierte Härte in einem definierten Abstand zur Bauteiloberfläche zu erreichen. Auf diese Weise wird eine hohe Festigkeit (hoher Widerstand gegen Rissbildung) und eine hohe Zähigkeit im Bauteilkern (hoher Widerstand gegen Rissausbreitung) erreicht.

Typische Ofenanlagen für die Aufkohlung von niedrig legierten Stählen sind diskontinuierliche Kammeröfen oder kontinuierliche Durchstoß- oder Ringherdöfen [8]. Bild 1 zeigt eine Ringherdofenanlage in der Automobilproduktion. Die Teile werden auf Chargenträger geladen, die dann in den Ofen eingelegt werden. Die Teile werden anschließend im Uhrzeigersinn durch den Ofen transportiert. Der Ofen ist durch Zwischentüren in drei Zonen unterteilt, um die Zonen für das Aufheizen, die Aufkohlung und die Diffusion für einen zweistufigen Aufkohlungsprozess gemäß [7] zu trennen. Nach der Aufkohlung werden die Teile entladen und in einer Härtepresse gehärtet. Abschließend werden die Teile gereinigt und angelassen. In diesem Fall werden die verzugsempfindlichen Bauteile, bei denen die Gefahr besteht, dass sie sich beim herkömmlichen Abschrecken im Ölbad verformen, mit einer Fixturhärtung abgeschreckt.

Für konventionelle Anwendungen wird Endogas als Trägergas in der Ofenatmosphäre verwendet. Dieses wird durch eine luftarme Verbrennung von Kohlenwasserstoffen (z. B. Erdgas – NG) in einem Endogasgenerator erzeugt. Die typische Zusammensetzung des Endogases aus NG enthält ca. 20 Vol.-% Kohlenmonoxid CO, 40 Vol.-% Wasserstoff H₂ und 40 Vol.-% Stickstoff N₂.

Um eine kontrollierte Atmosphäre zu erreichen, die für einen definierten Aufkohlungsprozess erforderlich ist, werden zusätzlich Propan und Luft in den Ofen eingeleitet. Da der Prozess Kohlenstoff verbraucht, muss der Ofen kontinuierlich mit Endogas gespült und mit Propan und Luft versorgt werden [8].

Der Aufkohlungsprozess wird häufig indirekt durch Strahlheizrohre beheizt. In diesen sind die Beheizungssysteme (z. B. Brenner oder elektrische Heizelemente) installiert. In Deutschland besteht das Beheizungssystem in der Regel aus erdgasbefeuerten Rekuperatorbrennern. In anderen Ländern, wie Frankreich, mit einem hohen Anteil an Kernenergie [10], ist der Einsatz von elektrischen Heizelementen für eine typische Heizleistung von 15 bis 40 kW bereits Stand der Technik [11].

Technische und ökologische Studien über Alternativen zur Prozessbeheizung wurden für verschiedene Anwendungen durchgeführt, z. B. für kontinuierliche Wiedererwärmungsöfen für Stahl [12], Kammeröfen zum Wiedererwärmen von Stahl [13] und eine Gesamtübersicht über integrierte Stahlwerke [14]. Für Härtereien und insbesondere für kontinuierliche Aufkohlungsöfen liegen jedoch nur wenige energetische Untersuchungen vor.

Krail et al. [15] untersuchen die Energieeinsparpotenziale einer konventionellen erdgasbefeuerten Durchstoßofenanlage zum Gasaufkohlen in der Automobilindustrie. Sie betrachten alle Anlagenkomponenten (Vorwärmofen, Aufkohlungsofen, Ölbad, Anlassofen) und identifizieren verschiedene Maßnahmen zur Effizienzsteigerung. Sie erwähnen dabei insbesondere eine verbesserte Wärmedämmung, die Wärmerückgewinnung aus Brennerabgasen und die Wiederverwendung von Endogas zur Beheizung anderer Anlagenteile. Die Nutzung verschiedener Energieträger wird jedoch nicht untersucht.

Altena [9] konzentriert sich in seiner Veröffentlichung auf Aspekte der Zeit- und Kosteneinsparung bei kontinuierlichen Aufkohlungsanlagen. Er beschreibt die Auswirkungen erhöhter Prozesstemperaturen auf den Durchsatz und den Energieverbrauch. Als alternatives Ofendesign stellt er den Ringherdofen mit anschließender Fixturhärtung vor, der im Vergleich zum Durchstoßofen ein Zeiteinsparpotential bietet. Allerdings ist die Flexibilität einer solchen Ofenkonstruktion eingeschränkt. Des Weiteren werden verschiedene Durchstoßofengenerationen energetisch verglichen. Dabei werden erhebliche Energieeinsparpotenziale für zukünftige Anlagen aufgezeigt. Als Energiesparmaßnahmen werden die Schleusentechnik, der Brennerwirkungsgrad, verbesserte Isoliermaterialien, Energiemanagementsysteme und Energierückgewinnungssysteme genannt.

Studien im Hinblick auf mögliche zukünftige Entwicklungen alternativer Brennstoffe bzw. Heiztechnologien wurden jedoch nicht durchgeführt. In dieser Studie werden verschiedene Alternativen der Prozesswärmeerzeugung für kontinuierliche Aufkohlungsöfen auf Grundlage internationaler CO₂-Reduktionsziele analysiert. Als Referenzfall (Fall Nr. 1) wird ein erdgasbefeuerter kontinuierlicher Ringherdofen betrachtet. Fall 2 befasst sich mit der elektrischen Beheizung der Anlage. Die Umstellung auf eine Beheizung mit Wasserstoff-Luft wird in Fall Nr. 3 betrachtet. Dabei wird angenommen, dass der Wasserstoff durch Elektrolyse-Technologien erzeugt wird, die auf dem Einsatz von (erneuerbarer) elektrischer Energie beruhen. Der Energieverbrauch und die CO₂-Emissionen für die Stromerzeugung sind für die Fälle 2 und 3 in den Berechnungen enthalten. Alternative H₂-Produktionswege (z. B. Dampfreformierung mit Carbon Capture & Storage (CCS), Methanpyrolyse) werden in dieser Studie nicht berücksichtigt.

2 Methodik

In der vorliegenden Fallstudie werden der Primärenergieverbrauch und die CO₂-Emissionen eines Ringherdofens auf der Grundlage eines quantitativen Ansatzes für die folgenden drei verschiedenen Alternativen der Prozesswärmeerzeugung untersucht:

• Fall 1: Beheizung mit Erdgas-Luft nach dem Stand der Technik (Referenzfall)

• Fall 2: elektrische Beheizung

• Fall 3: Beheizung mit Wasserstoff-Luft

Der Wasserstoff in Fall 3 wird durch elektrisch betriebene Elektrolyseanlagen (PEM: Proton Exchange Membrane, SOEC: Solid Oxide Electrolyzer Cell) erzeugt. Dabei wird der entsprechende deutsche Strommix berücksichtigt, siehe Tabelle 1.

Die Berechnung der Energiebilanzen basiert auf der Methodik in [12], die sich auf ISO 13579-1 [16] und Pfeifer [17] bezieht.

Bild 2 zeigt das betrachtete thermodynamische System des Ringherdofens.

Industrieöfen können als isolierte Systeme betrachtet werden, bei denen die Summe der eintretenden Energieströme gleich der Summe der austretenden Energieströme ist, Gl. (1).

Der Gesamtenergieeinsatz E_in setzt sich aus der brennstoffäquivalenten Energie E_{f e}, der spezifischen Enthalpie von Propan als Aufkohlungsmittel h_propane und dem Dissipationswärme der Umwältzventilatoren im Ofen E_fans zusammen.

Die brennstoffäquivalente Energie E_fe kann entweder durch die spezifische Enthalpie des verwendeten Brennstoffs h_fuel oder die elektrische Energie E_el ausgedrückt werden. Die spezifische Enthalpie des verwendeten Brennstoffs wird in Gl. (3) durch das Produkt aus dem Brennstoffvolumenstrom V̇_fuel und dem Heizwert H_i,fuel berechnet.

Die Homogenisierung der Aufkohlungsatmosphäre im gesamten Ofen wird durch Umwälzventilatoren erreicht, die elektrisch betrieben werden. Die Dissipationswärme dieser Ventilatoren wird mit Gl. (4) abgeschätzt.

mit

n Anzahl der Ventilatoren der Atmosphäre

P_el,fans Elektrische Leistung der Ventilatoren

f Abschätzungsfaktor für die Wärmeabgabe der Ventilatoren

Für die Summe der austretenden Energieströme in Gl. (1) sind mehrere Terme zu berücksichtigen, siehe Gl. (5). Dabei beschreibt Δh_steel die Nutzenthalpie des Stahls, Δh_endogas die Enthalpie des Endogases und q_losses die Ofenverluste, z. B. Wand- oder Kühlwasserverluste. Im Falle einer Brennstoffbeheizung mit Erdgas oder Wasserstoff beschreibt der Term h_off–gas die fühlbare Wärme des Abgases. Im Falle einer elektrischen Beheizung beschreibt dieser Term h_off–gas die elektrischen Verluste des Beheizungssystems.

Die Nutzenthalpie Δh_steel der Stahlbauteile ist durch Gl. (6) definiert.

mit

Gl. (7) gibt den Enthalpiestrom der Endogasatmosphäre an.

An dieser Stelle werden Vereinfachungen für die Berechnungen getroffen. Es wird angenommen, dass das Aufkohlungsmittel Propan gemäß Gl. (8) zu Kohlenstoffdioxid und Wasser reagiert. Bei der Betrachtung von Propan als ideales Gas reagiert 1 m³ Propan demnach zu 7 m³ „Abgas“. Der Volumenstrom des aus dem Ofen austretenden Endogases V̇_endogas,out enthält das zugeführte Endogas und den Propan-Abgasstrom. Die Endogaszusammensetzung und die mittlere spezifische Wärmekapazität (Abweichung 1,8 %) bleiben jedoch ungefähr konstant. Es ist anzumerken, dass das „verbrauchte“ Endogas außerhalb des Ofens abgefackelt wird. Die bei dieser Verbrennung freigesetzte Wärme ist in den Berechnungen nicht enthalten, da diese nicht innerhalb der betrachteten Systemgrenzen stattfindet.

Im Falle einer Brennstoffbeheizung gibt Gl. (9) den Enthalpiestrom des Abgases an.

mit

v_off–gas Spezifisches Abgasvolumen

Die in den Berechnungen verwendeten Werte basieren auf realen Prozessdaten eines kontinuierlichen Ringherdofens. Daher werden die Ofenverluste q_losses in dieser Studie nicht separat berechnet, sondern durch Schließen der Energiebilanz in Gl. (1) ermittelt.

Pfeifer [17] definiert verschiedene Arten von Wirkungsgraden auf Grundlage der Energiebilanzen. Der feuerungstechnische Wirkungsgrad η_c beschreibt das Verhältnis der im Ofenraum zur Verfügung stehenden Energie zum Gesamtenergieeintrag.

Der Reaktorwirkungsgrad (auch: Ofenwirkungsgrad) η_r beschreibt das Verhältnis zwischen der auf das Gut übertragenen Energie und der im Ofenraum zur Verfügung stehenden Energie. Damit stellt dieser eine Größe zur Beurteilung der Wärmedämmung dar.

Der Gesamtwirkungsgrad η_tot definiert das Verhältnis zwischen der Nutzenthalpie und dem Gesamternergieeintrag.

Die verschiedenen Alternativen der Prozesswärmeerzeugung für kontinuierliche Aufkohlungsöfen für Getriebeteile, die in der Fallstudie beschrieben werden, werden hinsichtlich der folgenden Hypothesen untersucht:

• Hypothese 1: Der Primärenergieverbrauch ändert sich, je nachdem, welche Alternative der Prozesswärmeerzeugung gewählt wird.

• Hypothese 2: Es gibt einen „Break-even“-Punkt für die CO₂-Reduktion. An diesem Punkt stoßen die alternativen Technologien weniger CO₂ aus als die Erdgasbeheizung.

• Hypothese 3: Der Break-Even-Punkt variiert mit der Technologie der Prozesswärmeerzeugung.

• Hypothese 4: Die Entwicklung der H₂-Elektrolyse, d. h. der Wirkungsgrad, weist ein großes Potenzial zur Reduzierung der CO₂- Emissionen und des Primärenergieverbrauchs auf.

3 Fallstudie

4 Ergebnisse

Tabelle 3 und Tabelle 4 geben einen Überblick über die berechneten Ergebnisse. In diesen werden die Energiebilanzen und Wirkungsgrade für die verschiedenen Fälle verglichen. Diese Ergebnisse werden anschließend für die einzelnen Hypothesen diskutiert.

5 Diskussion

Die verschiedenen Alternativen der Prozesswärmeerzeugung für kontinuierliche Ringherdöfen zum Aufkohlen von Getriebeteilen ermöglichen eine CO₂-Neutralität, wenn der Strom aus erneuerbaren Quellen erzeugt wird. Die Substitution von Erdgas (Referenzfall 1) durch elektrische Energie (Fall 2) oder (grünen) Wasserstoff (Fall 3) hat eine starke Erhöhung des elektrischen Energiebedarfs zur Folge. Durch den zusätzlichen Prozessschritt der H₂-Elektrolyse ist der elektrische Energiebedarf bei der Wasserstofferzeugung noch höher.

Die spezifischen CO₂-Emissionen steigen an, wenn eine Umstellung auf elektrische Beheizung oder Wasserstoff mit dem derzeitigen deutschen Strommix durchgeführt werden würde. Bei Berücksichtigung einer Reduktion der CO₂-Emissionen bis 2050 lassen sich für beide Alternativen Break-Even-Punkte aufzeigen.

Aus technischer Sicht stellt die Substitution von Erdgasbrennern durch elektrische Heizelemente keine Herausforderung dar. Die Heizelemente sind bereits in verschiedenen Anwendungen Stand der Technik. In den meisten Fällen verhindern wirtschaftliche Erwägungen den Einsatz von elektrischen Beheizungssystemen bei kontinuierlichen Anlagen in Deutschland.

Die Entkopplung der Prozesswärmeerzeugung und der schwankenden Verfügbarkeit von erneuerbaren Energien ist jedoch ein Faktor, der in realen Anwendungsfällen berücksichtigt werden muss. Wasserstoff kann aufgrund seiner Speicherbarkeit eine Schlüsselrolle bei der zukünftigen Prozesswärmeerzeugung von kontinuierlichen Aufkohlungsöfen spielen. Im Gegensatz zur rein elektrischen Beheizung führt die Verbrennung von Wasserstoff aufgrund des unterschiedlichen Verbrennungsverhaltens im Ofen zu technischen Herausforderungen. Das Beheizungssystem muss untersucht werden, um auf höhere Verbrennungstemperaturen und möglicherweise höhere NO_x-Emissionen reagieren zu können. In anderen Studien wurde ein Technical Readiness Level (TRL) von 4 – 8 für die Verbrennung von Wasserstoff im industriellen Maßstab definiert. Neben dem Verbrennungssystem muss auch die Wechselwirkung von Wasserstoff und den Verbrennungsabgasen mit den Ofenkomponenten, insbesondere den Strahlheizrohrmaterialien, untersucht werden.

Zusätzlich muss die Verfügbarkeit von Wasserstoff durch zentrale oder dezentrale Anwendungen kontinuierlich gewährleistet werden.

6 Zusammenfassung und Ausblick

In der vorliegenden Fallstudie wurden drei Alternativen für die Prozesswärmeerzeugung in kontinuierlichen Ringherdöfen zur Aufkohlung von Automobilgetriebeteilen untersucht. Neben dem Referenzfall mit Erdgasbeheizung wurden eine elektrische Beheizung und eine Beheizung mit (grünem) Wasserstoff als Alternativen diskutiert.

Es wird gezeigt, dass die sofortige Substitution von Erdgas nicht zu geringeren CO₂-Emissionen führt. Unter Berücksichtigung des aktuellen deutschen Strommixes wird vielmehr erwartet, dass die CO₂-Emissionen bei elektrischer Beheizung bzw. Beheizung mit Wasserstoff ansteigen.

Der spezifische Energiebedarf bei der Verwendung von elektrischen Heizelementen sinkt aufgrund des hohen elektrischen Wirkungsgrads im Vergleich zum feuerungstechnischen Wirkungsgrad von Brennern. Bei (grünem) Wasserstoff hingegen ist der spezifische Energiebedarf aufgrund des zusätzlichen Prozessschritts der Elektrolyse höher als bei der Erdgasbeheizung.

Die Berechnungen in dieser Studie basieren auf der H₂-Produktion in Deutschland. Der Import von CO₂-neutralem Wasserstoff wurde nicht berücksichtigt. Dies könnte eine weiterführende Option für die Zukunft sein, muss aber wirtschaftlich sinnvoll sein.

1 Introduction

The 2015 Paris agreement [1] aims at a massive reduction of CO₂-emissions and requires efforts especially in industries “hard to abate”, e. g. steel processing. The European Union published its Green Deal [2] in 2019 and declared the objectives of a CO₂-reduction of 50 % by 2030 and 80–95 % by 2050, based on the emissions in 1990. For Germany, a country with an energy mix from various fossil and renewable sources, the target development of the CO₂-emission factor is listed in Table 1. In order to achieve these goals in the steel processing industry, fossil fuels have to be substituted either by electrical power or by renewable fuels such as hydrogen. Germany [3], amongst many other countries [4], and the European Union [5], published its hydrogen strategy in 2020. These strategies include roadmaps for the industrial use of (green) hydrogen.

Special parts, e. g. gear or bevel gears within the automotive industry, can be economically machined when the used steels contain low carbon contents. The use of gear parts requires a good fatigue performance. These requirements can be achieved by the case-hardening process. The process is defined in DIN 17022-3 [7] and combines a heat treatment within a carburizing atmosphere and a hardening step. The objective of the process is to achieve a defined case-hardening depth, i. e. a defined hardness at a defined distance from the part surface. In that way, high strength (high resistance to cracking) and high core toughness (high resistance to crack propagation) are achieved.

Typical furnace installations for carburizing of low-alloyed steels are discontinuous chamber furnaces, continuous pusher type or ring hearth furnaces [8]. Figure 1 shows a ring hearth furnace installation within the automotive industry. The parts are loaded onto trays which are then charged into the furnace. The parts are then transported through the furnace in clockwise direction. The furnace is separated into three zones by intermediate doors to separate the zones for heating-up, carburizing and diffusion for a two-step carburizing process according to [7]. After the carburizing treatment, the parts are unloaded and hardened inside a hardening press. In the end, the parts are cleaned and tempered. In this case, fixture hardening is applied to sensitive parts which bear a risk to be distorted during conventional oil bath quenching.

Fig. 1

Ring hearth furnace design for carburizing and press quenching of sensitive parts [9]

Bild 1. Aufbau eines Ringherdes zum Aufkohlen und Presshärten empfindlicher Teile [9]

For conventional applications, endothermic gas (endogas) is used as the carrier gas within the atmosphere. This is produced by fuel-rich combustion of hydrocarbons (e. g. natural gas – NG) with air within an endogas generator. The typical composition of the endogas from NG contains approx. 20 vol.-% carbon monoxide CO, 40 vol.-% hydrogen H₂ and 40 vol.-% nitrogen N₂.

To achieve a controlled atmosphere, which is required for a defined carburizing process, propane and air are induced into the furnace as well. Due to the fact that the process is consuming carbon, the furnace has to be continuously purged with endogas and supplied with propane and air [8].

The carburizing process is often heated indirectly by radiant tubes. Inside of these, the heating systems (e. g. burner or electrical heating elements) are installed. In Germany, the heating system usually consists of natural gas fired self-recuperative burners. In other countries like France with a high share of nuclear power [10], the use of electrical heating elements is state-of-the-art for the applied heating power in the range of 15 to 40 kW [11].

Technical and ecological studies of process heating alternatives have been carried out for various applications, such as continuous steel reheating furnaces [12], reheating chamber furnaces [13] and an overall review of integrated steel plants [14]. For hardening shops and especially continuous carburizing furnaces, however, only few energetical studies are available.

Krail et al. [15] investigate the energy saving potentials of a conventional natural gas-fired pusher-type furnace installation for gas carburizing in the automotive industry. They consider all of the installation’s components (preheating furnace, carburizing furnace, oil bath, tempering furnace) and identify various measures to increase the efficiency. Here, they especially mention improved heat insulation, heat recovery from burner off-gas and re-utilization of endogas to heat other plant units. However, they do not investigate the utilization of different energy carriers.

In his publication, Altena [9] focuses on time and cost saving aspects of continuous carburizing installations. He outlines the effect of increased process temperatures on the capacity and the energy consumption. As an alternative furnace design, he introduces the ring hearth furnace with a following fixture hardening, which offers a time saving potential in comparison to the pusher-type furnace. However, the flexibility of such a furnace design is reduced. Furthermore, an energetic comparison of pusher-type furnace generations is included, which shows significant energy saving potentials for future installations. As energy saving measures, the sluice technology, burner effiency, improved insulation materials, energy management systems and energy recovery systems are named.

However, studies with regard to possible future developments of alternative fuels or heating technologies, respectively, have not been performed. This study evaluates different process heating cases for continuous case-hardening furnaces on basis of international CO₂-reduction goals. As the reference case (case No. 1), a natural gas-fired continuous ring hearth furnace is used as the basis. Electrical heating will be considered as case No. 2. Finally, case No. 3 describes a heating system with hydrogen/ air combustion. The hydrogen is assumed to be produced by electrolysis technologies, which rely on the use of (renewable) electrical energy. The energy consumption and CO₂-emissions for the electrical energy production for the cases 2 and 3 are included in the calculations. Alternative H₂-prdouction routes (e. g. steam reforming with Carbon Capture & Storage (CCS), methane pyrolysis) are not considered throughout this study.

2 Methodology

In this case study, the primary energy consumption and CO₂-emissions of a ring hearth furnace are investigated for the following three different process heat generation alternatives based on a quantitative approach:

• Case 1: State-of-the-art NG-air heating (reference case)

• Case 2: Fully electrical heating

• Case 3: Hydrogen-air heating

The hydrogen in case 3 is produced by electrically powered electrolysis systems (PEM: Proton Exchange Membrane, SOEC: Solid Oxide Electrolyzer Cell). Therefore, the respective energy mix of Germany is considered, see Table 1.

The energy balance calculations are based on the methodology in [12] which refers to ISO 13579-1 [16] and Pfeifer [17].

Figure 2 shows the considered thermodynamic system of the ring hearth furnace.

Fig. 2

Thermodynamic system of the ring hearth furnace as the basis for energy balance calculations

Bild 2. Thermodynamisches System des Ringherdofens als Grundlage für die Berechnung der Energiebilanz

Industrial furnaces can be regarded as isolated systems and the sum of the input energy flow equals the sum of the output energy flow, Eq. (1).

The total energy input E_in consists of fuel equivalent energy E_{f e}, the calorific value of propane as the carburizing agent h_propane and the energy input of the atmosphere fans within the furnace E_fans.

The fuel equivalent energy E_fe can be either the specific enthalpy of the used fuel h_fuel or the fuel equivalent energy of electricity . The specific enthalpy of the used fuel is given in Eq. (3) by the product of the volume flow of the fuel V̇_fuel and the lower calorific value H_i,fuel.

Homogenizing of the carburizing atmosphere throughout the furnace is achieved by atmosphere fans which are powered electrically. The heat generation of these fans is estimated by Eq. (4).

with

n Number of atmosphere fans

P_el,fans Electrical power of the fans

f Estimation factor for heat dissipation of the fans

For the sum of the energy output in Eq. (1), there are several terms to be considered, see Eq. (5). Here, Δh_steel describes the steel enthalpy, Δh_endogas the enthalpy of the endogas and q_losses the furnace losses such as wall losses or cooling water losses. In case of fuel heating with natural gas or hydrogen, the term h_off–gas describes the sensible heat of the off-gas. In case of electrical heating this term h_off–gas describes the electrical losses of the heating system.

The steel enthalpy Δh_steel is defined by Eq. (6).

with

Eq. (7) gives the sensible heat of the endogas atmosphere.

At this point, several simplifications are integrated in the calculations. It is assumed that the carburizing agent propane reacts to carbon dioxide and water according to Eq. (8). Regarding propane as an ideal gas, 1 m³ of propane react to 7 m³ of “off-gas”. The endogas deducted from the furnace V̇_endogas,out contents the supplied endogas and the propane off-gas flow. However, the endogas composition and the mean specific heat capacity (deviation of 1.8 %) roughly remain the same. It has to be mentioned that the “used” endogas is burned outside the furnace with a flare. The heat released by this combustion is not included in the calculations, because it is not taking place within the considered system boundaries.

The sensible heat of the off-gas in case of fuel heating is shown in Eq. (9).

with

v_off–gas Specific off-gas volume

The values used in the calculations rely on real process data of a continuous ring hearth furnace operation. Therefore, the furnace losses q_losses are not calculated separately in this study and are determined by closing the energy balance in Eq. (1).

Pfeifer [17] defines different types of efficiencies based on the energy balance calculations. The combustion efficiency η_c describes the ratio of energy transferred into the furnace chamber to the total energy input.

The reactor efficiency (also: furnace efficiency) η_r describes the ratio of the energy used to heat the product to the energy which is transferred into the furnace.

The overall efficiency η_tot is defined as the ratio of the product enthalpy to the energy input.

The different process heat generation alternatives for continuous carburizing furnaces for gear parts described in the case study are investigated regarding the following hypotheses:

• Hypothesis 1: The primary energy consumption will change based on which process heat generation alternative is chosen.

• Hypothesis 2: A “break-even” point exists regarding CO₂-reduction. At this point, alternative technologies emit less CO₂ than the state-of-the-art natural gas heating technology.

• Hypothesis 3: The break-even point varies with the process heat generation technology.

• Hypothesis 4: The development of H₂-electrolysis technology, i. e. the efficiency, shows great potential to reduce CO₂ emissions and primary energy consumption.

3 Case study

4 Results

Table 3 and Table 4 give an overview over the calculated results. Here, the energy data and efficiencies for the different cases can be compared. These results are further discussed for the individual hypotheses.

4.2 Hypotheses 2 and 3

For the CO₂-emission factor of Germany’s energy mix, the year 2019 is chosen as the last year which was not affected by any pandemic effects. Here, the CO₂-emission factor is stated to be approx. 404.18 g_CO2/kWh, leading to a reduction of approx. 39 % compared to 1990.

Figure 3a shows the change of CO₂-emissions for the different cases, considering substitution of natural gas by electrical heating and hydrogen production with a current PEM electrolyser (64.07 % efficiency) for the German energy mix. The CO₂-emissions are based on the reduction targets listed in Table 1.

Fig. 3

a) Relative change of CO₂-emissions for a continuous carburizing ring hearth furnace for cases 2 and 3 in respect to the natural gas reference case; CO₂-emission factors based on Table 1; H₂-electrolysis effiency of 64.07 % (PEM 2016, [20]); b) specific energy demand and specific CO₂-emissions per kg carburized steel as a function of H₂-electrolysis efficiency for all heating cases (basis: 2030 target German energy mix)

Bild 3. a) Relative Veränderung der CO₂-Emissionen für einen kontinuierlich aufkohlenden Ringherdofen für die Fälle 2 und 3 gegenüber dem Erdgas-Referenzfall; CO₂-Emissionsfaktoren nach Tabelle 1; H₂-Elektrolyse-Wirkungsgrad von 64,07 % (PEM 2016, [20]); b) spezifischer Energiebedarf und spezifische CO₂-Emissionen pro kg aufgekohltem Stahl in Abhängigkeit vom H₂-Elektrolyse-Wirkungsgrad für alle Heizfälle (Basis: deutscher Ziel-Energiemix 2030)

As it can be taken from the figure, an immediate substitution of natural gas leads to higher CO₂-emissions. Even by reducing the CO₂-emission factor to 50 % of the 1990 value by 2030, the CO₂-emissions are increasing. For further reduction by 2050, the CO₂-emissions are decreasing for both alternative cases. The full electrical heating shows the highest CO₂-saving potential of max. 86.90 % for the 95 % reduction target in 2050.

5 Discussion

The different options of process heat generation for continuous ring hearth furnaces for carburizing of gear parts enable CO₂-neutrality if electricity is generated from renewable sources. In order to substitute natural gas (reference case 1) with electrical energy (case 2) or (green) hydrogen (case 3), a massive increase of the electrical energy demand will be the consequence. Due to the additional H₂-electrolysis process step, the electrical energy demand is even higher for hydrogen production.

The specific CO₂-emissions would increase if a switch to electrical or hydrogen heating would be conducted with Germany’s current energy mix. However, considering a decrease in CO₂-emissions until 2050, break-even points can be pointed out for both alternative cases.

From a technical viewpoint, the substitution of natural gas burners with electrical heating elements is not a challenge. The heating elements are state-of-the-art in various applications. In most cases, economical considerations inhibit the use of electrical heating for continuous installations in Germany.

However, the decoupling of process heat generation and the volatile availability of renewable energy is a factor which has to be regarded in these considerations. Due to its storability, hydrogen may play a key role in the future process heating of continuous carburizing furnaces. In contrary to full electrical heating, the combustion of hydrogen leads to technical challenges because of the different combustion behaviour in the furnace. The combustion system has to be investigated in order to react to higher combustion temperatures and possibly higher NO_x-emissions. In other studies, a Technical Readiness Level (TRL) of 4 – 8 has been defined for the combustion of hydrogen on an industrial scale. Besides the combustion system, the reaction of hydrogen and its off-gas with furnace components, specifically the radiant tube materials, has to be investigated.

Finally, the availability of hydrogen through centralized or decentralized applications has to be guaranteed continuously.

6 Conclusions and outlook

The presented case study analyses three process heating alternatives for continuous ring hearth furnaces for carburizing of automotive gear parts. Besides to the state-of-the-art reference case with natural gas heating, full electrical heating and (green) hydrogen heating have been discussed as alternatives.

It is shown that the immediate substitution of natural gas may not lead to lower CO₂-emissions. On the contrary, considering the current German energy mix, the CO₂-emissions are expected to increase for full electrical heating and hydrogen heating, respectively.

The specific energy demand is expected to decrease for the use of electrical heating elements due to the high electrical efficiency compared to the combustion efficiency of burners. For (green) hydrogen, however, the specific energy demand is higher than for natural gas due to the additional electrolysis process step.

The calculations in this study are based on the H₂-production in Germany. The import of CO₂-neutral hydrogen has not been considered. This could be an option for the future but has to be economically feasible.