Wirkungsgrad

Bei unserem "ersten Mal" haben wir mit 3kg Holzkohle angefangen, die fast schneller verbrannt waren, als wir nachlegen konnten. Im Jahr 2005 haben wir an 2 Gießtagen 50kg Holzkohle verbraucht. Sicherlich lässt sich der Verbrauch an Holzkohle noch reduzieren, indem z.B. der Gießablauf optimiert wird. Zwischen den einzelnen Gießvorgängen haben wir bisher relativ lange Pausen, so dass die Temperatur im Ofen stark sinkt und dann mit hohem Aufwand wieder erhöht werden muss. Vorheriges Abwiegen der benötigten Metallmengen, Vorbereiten der Formen und kontinuierlicher Betrieb des Ofens würde sicherlich zu einer effizienteren Nutzung der Holzkohle führen.

2006 haben wir den Ablauf erheblich optimiert. Wenn man den Ofen zwischendurch nicht kalt werden lässt, kommt man pro Guss (400g Bronze) mit ca. 3 - 4 kg Kohle hin. Wir hatten 60kg Kohle (6 Säcke zu 10kg) eingekauft, etwa einen 3/4 Sack für Trockenheizen des Ofens und der Düse sowie einigen Formen verwendet und mit den verbliebenen gut 52kg Kohle insgesamt 14 Güsse durchgeführt.

Theoretische Betrachtungen zum Energieaufwand

Mit der Zeit tauchte die Frage nach der Energieeffizienz unseres Gießverfahrens auf. Der nach oben und vorne offene Ofen strahlt naturgemäß eine Menge Wärme ab, was sich auch in der Praxis bemerkbar macht: der Aufenthalt vor dem Ofen ersetzt die Sauna :-) Wie hoch ist nun der theoretische Energiebedarf zum Schmelzen einer bestimmten Menge Bronze?

Was geschieht beim Schmelzen?

Wärme wird benötigt, um die Bronze bzw. ihre Bestandteile Kupfer und Zinn zunächst von der Umgebungstemperatur (ca. 15 Grad Celsius) auf die Temperatur des Schmelzpunktes (Cu: 1083 Grad Celsius) zu bringen. Dann ist weitere Energie notwendig, die so genannte Schmelzwärme, um das Kupfer vom festen in den flüssigen Zustand zu überführen. Die Temperatur bleibt trotz weiterer Energiezufuhr beim eigentlichen Schmelzvorgang konstant. Erst nachdem das gesamte Kupfer geschmolzen ist, nimmt die Temperatur der Schmelze bei Wärmezufuhr weiter zu. Nach dem Schmelzen des Kupfers wird Zinn zugegeben. Die im Vergleich zum Kupfer relativ geringe Menge Zinn muss ebenfalls auf die notwendige Temperatur gebracht und geschmolzen werden. Die notwendige Energie entzieht das Zinn dabei zunächst der umgebenden Kupferschmelze, deren Temperatur dadurch sinkt. Bei unseren Mengen (ca. 1,35 kg Cu und 0,15 kg Sn) beträgt die resultierende Temperaturdifferenz ca. 100 Grad Celsius. Das deckt sich mit Messergebnissen anderer Experimentatoren, z.B. Fasnacht und Trachsel in [Frö01].

Um genügend Zeit für den Guss zu haben, bringen wir die Schmelze auf eine Gießtemperatur von etwa 1300 Grad Celsius. Neben den Metallen müssen wir auch den Tiegel auf Temperatur bringen.

Die für den gesamten Vorgang erforderlichen Wärmemengen werden im folgenden abgeschätzt und mit dem Energiegehalt der Kohle verglichen. Wir gehen im Beispiel von einer Menge von 1,5 kg Bronze aus. Für diese Menge muss der "große" Tiegel verwendet werden und wir benötigen etwa 3,7 kg Holzkohle.

Daten

Objekt Material Gewicht spez. Wärme(kapazität) spez. Schmelzwärme
Kupfer Cu 1,35 kg 385 J/(kg*K) 205 kJ/kg
Zinn Sn 0,15 kg 228 J/(kg*K) 59,2 kJ/kg
Bronze 90% Cu + 10% Sn 1,5 kg 390 J/(kg*K) 54 kJ/kg
großer Tiegel Graphit 0,9 kg 720 J/(kg*K) nicht erforderlich
kleiner Tiegel Graphit 0,45 kg 720 J/(kg*K) nicht erforderlich

Berechnung

Für die Temperaturerhöhung des Kupfers von 15 auf 1300 Grad ist eine Wärmemenge Q0Cu = 385 J / (kg K) * 1,35 kg * 1285 K = 668 kJ notwendig. Für den eigentlichen Schmelzvorgang zusätzlich Q1Cu = 205 kJ/kg * 1,35 kg = 277 kJ.

Für Zinn ergeben sich Q0Sn = 228 J / (kg K) * 0,15 kg * 1285 K = 44 kJ und Q1Sn = 59,2 kJ/kg * 0,15 kg = 9 kJ.

Zusätzlich muss der Tiegel auf die notwendige Temperatur gebracht werden: Q0T = 720 J/(kg K) * 0,9 kg * 1285 K = 833 kJ.

Insgesamt sind also Q0Cu + Q1Cu + Q0Sn + Q1Sn + Q0T = 668 kJ + 277 kJ + 44 kJ + 228 kJ + 833 kJ = 2050 kJ erforderlich.

Bei Verwendung von 1,5 kg fertiger Bronze ergeben sich Q0B = 390 J / (kg K) * 1,5 kg * 1285 K = 752 kJ und Q1B = 54 kJ/kg * 1,5 kg = 81 kJ und somit Q0B + Q1B + Q0T = 752 kJ + 81 kJ + 833 kJ = 1666 kJ.

Energiegehalt von Holz(-kohle) und Wirkungsgrad

Der Energiegehalt von Holz wird mit etwa 4 - 5 kWh / kg angegeben, abhängig hauptsächlich von der Holzart und dem Trockenheitsgrad, Wikipedia gibt 29 - 33 MJ / kg an. Holzkohle hat den gleichen Energiegehalt bei halbem Gewicht, also ca. 8 - 10 kWh / kg. 1 kWh entspricht 3600 kJ. Andere Quellen (1, 2) geben als Heizwert von Holzkohle 28 MJ / kg an. Wir rechnen mit 30 MJ / kg.

Somit haben die von uns benötigten 3,7 kg Holzkohle für das Schmelzen von 1,5 kg Bronze aus Kupfer und Zinn einen Energiegehalt QH = 30000 kJ / kg * 3,7 kg = 111000 kJ.

Für das Erhitzen und Schmelzen des Materials sind 2050 kJ nötig, das entspricht 1,85 % der aufgewendeten Energie. Der Rest geht für das Aufheizen des Ofens oder schlicht als Wärmeabstrahlung verloren. Ein Teil sicher auch, weil nicht immer klar ist, wann die notwendige Gießtemperatur erreicht ist und wir lieber ein bisschen länger aufheizen, um genügend Temperaturreserven für den Guss zu haben. Von einem Wirkungsgrad können wir sprechen, wenn wir den Ofen und den Prozess als "Blackbox" betrachten und die zugeführte und die für das Erhitzen und Schmelzen erforderliche Wärme vergleichen. Die Verluste durch ineffiziente Vorgehensweise zählen zum Prozess und gehen somit auch in den Wirkungsgrad ein.

Die angegebenen Energiegehalte von Holzkohle sind Schätzwerte und damit auch der berechnete Wirkungsgrad. Trotzdem liefern sie einen ganz guten Anhaltspunkt für die Energieeffizienz des Verfahrens.