Zijn elektrische ovens de toekomst van de glasproductie?
Overzicht van glasproductie
Glasproductie is doorgaans energie-intensief. Glasovens kunnen 1300-1550 ºC bereiken voor het smelten en raffineren van de grondstoffen, afhankelijk van de benodigde formulering.
Aardgas en elektriciteit zijn de belangrijkste energiebronnen, maar historisch gezien heeft de glasindustrie de voorkeur gegeven aan gas omdat het een gevestigde technologie is, met een lage prijs, hoge zuiverheid, gemakkelijke controle en het feit dat er geen opslagfaciliteiten nodig zijn. Gasovens hebben een lange levensduur, gemiddeld meer dan 12 jaar en soms tot 20 jaar.
Tot voor kort werden elektrische glassmeltovens gebruikt voor speciaal glas, en in het bijzonder glas met aanzienlijke vluchtige bestanddelen zoals fluoride-opaalglas, borosilicaten en loodkristal. De belangstelling voor uitbreiding van het gebruik ervan door de industrie groeit.
Productie van elektrische glasovens
De meest effectieve methode voor de productie van elektrisch glas is om elektroden te gebruiken die in het glas zijn ondergedompeld, hetzij als elektrische versterking (die 5-20% van de totale energie-input levert) of volledig elektrisch smelten. De ondergedompelde elektroden zijn verbonden met een voeding en transformator, om een elektrische stroom door het glas te laten gaan.
In volledig elektrische ovens komt de smeltenergie van de elektroden (joule-warmte), waarbij een gasbrander wordt gebruikt voor de eerste opstart of als noodwarmtebron. Deze ovens werken voornamelijk 'cold top', waarbij de grondstof gelijkmatig over het smeltoppervlak van het glas wordt verdeeld en een isolerende 'batchdeken' vormt. Smelten en raffineren vinden plaats in één verticaal proces, waarbij glas door een keel op de bodem van een diepe smelttank wordt getrokken.
Voordelen van elektrisch smelten:
Elektrische ovens bieden verschillende voordelen ten opzichte van gasovens. Ze hebben bijvoorbeeld een zeer lage directe uitstoot van CO2, thermische NOx of SOx. Met de druk om de uitstoot van zowel klanten als wetgeving te verminderen, is dit een aanzienlijk voordeel. Hoewel het mogelijk is om conventionele gasovens te verbeteren om de uitstoot te verminderen, kan dit resulteren in complexere technologie die resulteert in extra onderhoud, het gebruik van niet-milieuvriendelijke chemicaliën en beperkingen aan de levensduur van de apparatuur.
Een ander voordeel is dat de warmteverliezen van elektrische ovens veel lager zijn. Het thermisch rendement van gasfornuizen piekt rond de 45%. Dit betekent dat er meer energie verloren gaat als warmte dan wordt gebruikt om de grondstoffen om te zetten in gesmolten glas. Warmteverliezen treden op vanuit de bovenbouw van de oven en in de restafvalgassen, ook bij gebruik van warmteterugwinsystemen. De elektrische benadering betekent daarentegen dat de smeltenergie direct in het glas wordt overgedragen. Het thermische rendement kan zelfs in een kleine elektrische oven meer dan 70% bedragen en kan in een grote elektrische oven 85% bereiken.
Volledig elektrische ovens zijn ook energiezuiniger dan gasgestookte ovens; ze verbruiken ongeveer 35% minder energie. Het verschil in energie-efficiëntie is vooral belangrijk voor kleine ovens. Naarmate de ovengrootte afneemt, blijft de energie-efficiëntie van elektrische ovens zeer hoog, terwijl de efficiëntie van gasovens dramatisch daalt en minder dan 20% kan zijn.
Elektrische boosting kan een zeer effectieve manier zijn om het totale energieverbruik te verminderen. Het betekent ook dat het vrijkomen van energie zeer gericht kan zijn, wat helpt om de omstandigheden in het glasbad te bepalen. In sommige gevallen kan een goed ontworpen boostsysteem de homogeniteit van de glaskwaliteit, zaad- en steenverliezen verbeteren. In gasovens, waar gerichte energieafgifte niet mogelijk is, kunnen daarentegen onnauwkeurige temperatuurprofielen in het glas worden gecreëerd.
Een belangrijk voordeel van de cold-top elektrische oven is dat alles wat in de batch gaat, in het glas blijft, afgezien van de gassen die vrijkomen bij het smeltproces, die door de batchdeken naar buiten dringen. Verliezen van batchbestanddelen zoals fluor, boor, lood, verschillende vluchtige raffinagemiddelen en andere bestanddelen zijn vrijwel geëlimineerd.
Nadelen van volledig elektrisch smelten
Hoewel elektrische ovens lagere kapitaalkosten hebben, hebben ze een kortere levensduur (2-7 jaar vergeleken met 10-20 jaar voor conventionele ovens) en hogere energiekosten. De economische levensvatbaarheid van elektrische ovens hangt nauw samen met de kosten van elektriciteit in vergelijking met gas. Hogere thermische en energie-efficiënties kunnen deze kosten compenseren voor kleinere ovens, maar dit is mogelijk niet het geval voor grotere ovens.
De lage milieu-impact blijft alleen behouden als de oven stroom kan krijgen van hernieuwbare energiebronnen en een elektriciteitsnet nodig heeft dat betrouwbaar en stabiel is.
Er zijn ook operationele overwegingen. Bijvoorbeeld het onderhoud van elektroden om een hogere weerstand door slijtage te beperken. Het is niet mogelijk glas met een hogere temperatuur te smelten (>1500C) en er is bezorgdheid over corrosie/erosie van elektrodemateriaal van bepaalde glassamenstellingen. Verder kan gerecycled glas een probleem zijn dat nieuwe verwerkingsmethoden vereist.
Conclusie
Op de meeste plaatsen is het nog steeds milieuvriendelijker om fossiele brandstoffen in een oven te verbranden dan om ze te gebruiken om elektriciteit op te wekken voor elektrisch smelten. Naarmate hernieuwbare energiebronnen hun bijdrage aan de elektriciteitsproductie vergroten, zal deze situatie echter veranderen. Het lijkt er ook op dat verbeteringen in de energie-efficiëntie van verbrandingstechnologieën voor fossiele brandstoffen zijn afgevlakt. Naarmate de emissiewetgeving van kracht wordt en consumenten steeds meer materialen en technologieën eisen die milieuvriendelijk zijn, kan er bij de glasproductie een verschuiving plaatsvinden van gas naar elektrische energie. De andere voordelen van elektrisch smelten, zoals een beter thermisch rendement en energieverbruik, zullen ook in zijn voordeel meespelen.
