Die Erzeugung von Strom und Wasserstoff mittels erneuerbaren Energien bietet neue Möglichkeiten für CCh-ärmere bzw. für CCh-freie Hochtemperaturtechnologien für die Herstellung bzw. thermischen Behandlung von anorganischen Werkstoffen. Die Sinterung von Keramiken, Feuerfestkeramiken, Verbundwerkstoffen, das Schmelzen von Glas oder metallischen Werkstoffen, die Herstellung von Zement usw. verursachen durch die konventionellen, energieintensiven Sinter- und Schmelzprozesse hohe CCh-Emmissionen. Als Ofenaggregate dienen zahlreiche Ofentypen wie z.B. Gasöfen, Sinteröfen, Durchlauföfen, Tunnelöfen, Drehrohröfen, Schmelzöfen, Behandlungsöfen, Wärmehalteöfen etc.

Wasserstoff wird bereits als Reduktionsmittel in der Stahlindustrie eingesetzt bzw. dient als Gas in Brennstoffzellen zur Erzeugung von Strom. Das große Einsatzpotential von wasserstoffbasierten Technologien ist u.a. seiner Lagerfähigkeit im Sinne der Energiespeicherung. Die direkte Verbrennung von Wasserstoff in Hochtemperaturöfen zur Herstellung oder Schmelzen oder thermischen Wärmebehandlung von anorganischen Werkstoffen scheint allerdings nicht lukrativ, da am Beispiel der Verbrennung von Methan im Vergleich zu Wasserstoff bei der alleinigen Verbrennung von Wasserstoff ca. nur ein Drittel des Heiz- bzw. Brennwertes erreicht wird. Dies deutet darauf hin, dass größere Wasserstoffgasvolumina nötig sind, um entsprechende Heizwerte/Brennwerte wie bei gewöhnlichen Gas-Brennstoffen zu erreichen.

Eine weitere Problematik beim Einsatz von Wasserstoff ist die Bildung von Wasserdampf und dessen Wechselwirkung mit den anorganischen Werkstoffen. Am Beispiel MgO-haltigen Rohstoffen kann dies zur schädlichen Bildung von Brucit (Mg(OH)2) führen, der negativ die Endeigenschaften (Porosität, Festigkeit etc.) von MgO-haltigen Keramiken bzw. Feuerfestkeramiken beeinträchtigt. Am Beispiel SiC-Heizelemente reagiert der Wasserdampf mit der SiO2-Passivierungsschicht und damit wird die Lebensdauer der SiC-haltigen Heizelemente erheblich beeinträchtigt. Auch am Beispiel von teil- oder vollstabilisierten Zirkondioxiden ist die schädliche Wirkung von Wasserdampf bekannt, welche über die Destabilisierung der Zirkondioxide zu erheblichen Festigkeitsverlusten dieser Produkte führen kann.

Thermische Plasmen lassen sich technisch mittels induktiver Einkopplung von Hochfrequenzfeldern im MHz-Bereich, mittels Mikrowelleneinkopplung im GHz-Bereich oder durch Gleichstromeinkopplung (Bogenentladungen) erzeugen. Entsprechend der verschiedenartigen Erzeugung des Plasmas unterscheidet man zwischen Gleichstrom-, Induktions- und Mikrowellenplasmabrenner.

Plasmabrenner, welche Strom als Primärenergiequelle nutzen, bieten ein enormes Potential, für Hochtemperaturprozesse CCh-ärmere bzw. für CCh-freie Technologien für die Herstellung bzw. thermischen Behandlung von anorganischen Werkstoffen zu ermöglichen.

In der DE 38 73 193 T2 wird ein plasmaunterstützendes Verfahren zur Puderproduktion beschrieben. In US 7,189,940 B2 sowie US 7,638,727 B2 werden ein Gerät und eine Methode für ein Plasma-unterstützendes Schmelzen bzw. eine plasmaunterstützende Wärmebehandlung offenbart. US 2006/0057016 A1 beschreibt einen plasmaunterstützenden Sinterprozess und System. In US 7,445,817 B2 wird ein plasmaunterstützender Prozess zur Erzeugung von Kohlenstoffstrukturen dargestellt.

Die vorgestellten Erfindungen haben gemein, dass für den Energieeintrag für die beschriebenen Hochtempertaturprozesse ein Plasma bzw. Plasmabrenner zum Einsatz kommen. Durch den raschen, hohen Energieeintrag durch den Einsatz eines Plasmabrenners entstehen jedoch thermomechanische Spannungen im Ofenaggregat, insbesondere bei der feuerfesten Auskleidung, was deren Lebensdauer erheblich reduzieren kann.

Der Erfindung steht somit die technische Aufgabe zu Grunde, ein im Vergleich zur Verbrennung von fossilen Rohstoffen CO2-ärmeres oder CO2-freies Verfahren zur thermischen Behandlung von anorganischen Werkstoffen auf der Basis von Plasma anzubieten. Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass für das Verfahren der thermischen Behandlung ein Plasmabrenner mit einem Gasbrenner, der u.a. Wasserstoff, Methan, Propan, Butan, Erdgas oder Mischungen davon verbrennt, kombiniert wird.

Erfindungsgemäß führt die Kombination von Wasserstoff -Gasbrennern mit Plasmabrennern beim Einsatz erneuerbarer Energie als Primärenergie zur Gewinnung von Wasserstoff als auch als Primärenergie für den Betrieb von Plasmabrennern zu CO2-freien Hochtemperaturtechnologien für die Herstellung oder thermischen Behandlung von anorganischen Werkstoffen. Der Gasbrenner als thermische Energiequelle dient erfindungsgemäß zur schonenden Aufheizung des Ofenraums auf Temperaturen unterhalb 1000 °C, bevorzugt unterhalb 600 °C, sowie zum Ausgleich der Temperaturinhomogenität bei Temperaturen unterhalb 1000 °C, bevorzugt unterhalb 600 °C. Anschließend erfolgt erfindungsgemäß der Betriebseinsatz des Plasmabrenners, um hohe Sinter- bzw. Schmelztemperaturen zu erreichen.

Das erfindungsgemäße Hybrid-Verfahren und die erfindungsgemäße Hybrid-Vorrichtung besteht aus einem Ofenaggregat mit mindestens einem Gasbrenner für die Verbrennung von Wasserstoff, Methan, Propan, Butan, Erdgas oder Mischungen davon kombiniert mit mindestens einem Plasmabrenner, um anorganische Rohstoffe mit oder ohne Kohlenstoff oder weiteren organischen Zusätze, Keramiken, Feuerfestkeramiken, Glas, Zement, Metalle, Verbundwerkstoffe oder kohlenstoffhaltige oder kohlenstoffgebundene Erzeugnisse thermisch zu behandeln, zu sintern, zu verkoken, zu pyrolisieren, zu schmelzen oder zu oxidieren.

Bevorzugt besteht eine erfindungsgemäße Keramik oder Feuerfestkeramik z.B. aus AI2O3, ZrC>2, Cr2C>3, SiC>2, MgO, MgAhOt, La2Ü3, TiC>2, CaO, LaCrOs, CaZrOs, SiC, B4C, ZrB2, SislSk, AIN, C, BaO, BaTiOs oder Mischungen davon. Besonders bevorzugt ist die Feuerfestkeramik ausgewählt aus AI2O3, ZrÜ2, MgO, MgAhO4, TiÜ2, CaO, C oder Mischungen davon. Bevorzugt in den Feuerfestkeramiken kommen Metalle mit einem Schmelzpunkt größer 600 °C, Cu, Fe, Si, Ni, Ti, AI, Mg oder Mischungen davon zum Einsatz.

Erfindungsgemäße Verbundwerkstoffe bestehen aus einem keramischen und einem metallischen Anteil mit oder ohne Kohlenstoff oder auch Verbundwerkstoffe auf der Basis nur unterschiedlicher Kohlenstoffarten. Erfindungsgemäß dienen u.a. bei den metallokeramischen Verbundwerkstoffen als Metall Stahl oder Eisen, Eisen- und Stahllegierungen, Aluminium- und Aluminiumlegierungen, Cu, Ni, Ti, Mo, W, Ta, Nb und weitere Refraktäre Metalle.

Die Atmosphäre im Ofenaggregat kann erfindungsgemäß aus Luft, Stickstoff, Argon, Wasserstoff, Wasserdampf, Sauerstoff oder Mischungen davon bestehen.

Zur schonenden Aufheizung des Ofenaggregates wird/werden erfindungsgemäß ab Raumtemperatur der/die wasserstoffbetriebene(n) Gasbrenner eingeschaltet und bevorzugt ab 200 °C werden der/die Plasmabrenner in Betrieb genommen. Erfindungsgemäß dienen als Plasmabrenner bevorzugt Mikrowellenplasmabrenner. Erfindungsgemäß können sogenannte aktive oder passive Katalysatoren (z.B. nanoskalige Titandioxidpulver, Ruß, Kohlenstoffnanoröhrchen etc.) die Mikrowellenplasma-Aufheizung unterstützen. Erfindungsgemäß können passive oder aktive Katalysatoren über den Gasbrenner generiert oder eingeführt werden.