Wie flexibel kann Energieversorgung sein?
Quelle: TU Darmstadt / PTW / Foto: © C&C-Bark

Schlüsselproduktionsprozesse

SynErgie betrachtet insbesondere die Schlüsselproduktionsprozesse in allen deutschen Industriebranchen, die viel Energie verbrauchen. Für jede Branche untersuchen die Forscher, wie man die großen Mengen an Energie flexibler einsetzen kann. Zwei Fasttrack-Projekte sollen Ergebnisse aus der Anwendung für die anderen SynErgie-Projektpartner erzeugen. Beim Aluminium-Hersteller TRIMET wird die flexible Elektrolyse erprobt – ohne Qualitätsverluste. Das zweite Fasttrack-Projekt FlexASU untersucht, wie der Stromverbrauch von Luftzerlegungsanlagen flexibler gestaltet werden kann. Luftzerlegungsanlagen teilen die Luft in ihre Bestandteile auf, wie z. B. Stickstoff, Sauerstoff und Edelgase.

Produktionsübergreifende Analyse und Umsetzung

Ein Simulationswerkzeug („E-Flex-Tool“) soll die Energieflexibilitätspotenziale und die Auswirkungen von bestimmten Maßnahmen im Fabriksystem bewerten. Dieses Werkzeug muss in allen unterschiedlichen Branchen funktionieren und auch die wirtschaftlicher Aspekte verschiedener Maßnahmen berücksichtigen.

Am Standort Essen der TRIMET Aluminium SE untersucht SynErgie, in wie weit die Herstellung von Aluminium flexibilisiert werden kann. Ziel ist es, die Leistung der jetzigen Produktionslinie von rund 90 Megawatt um bis zu 25 Prozent zu variieren. Je nach Stromangebot im Netz könnte das Aluminiumwerk bis zu 22,5 Megawatt Strom aufnehmen. Steht zu wenig Strom zur Verfügung, könnte TRIMET die Produktion drosseln und das Stromnetz entlasten (sog. Load Shifting).

Natürlich muss der Produktionsprozess dabei effizient, stabil und qualitativ hochwertig bleiben. Das ist schwierig, weil sich das flüssige Aluminium im Schmelzofen verändert, wenn die Stromversorgung schwankt. Eine Kompensation des starken Gleichstrom-Magnetfelds durch speziell angeordnete, zusätzliche Stromschienen unter jedem Ofen erscheint vielversprechend.

Bis jetzt konnten fast alle der 108 Elektrolyseöfen in einer Linie umgerüstet werden. Der Einbau der Stromschienen startete bereits im Dezember 2017. Auch die notwendigen Erweiterungen der Schaltanlage laufen. Für eine neue Prozesssteuerung hat SynErgie ein erstes Versuchsmodul zum Aufzeichnen und Steuern der Basis-Größen entwickelt und getestet. Diese Prozessteuerung soll die Produktionsmenge, Rohstoffzufuhr und Wärmehaushalt an eine Leistungsmodulation anpassen können, ohne dabei weniger effizient zu arbeiten.

Auch Luftzerlegungsanlagen könnten in einen energieflexiblen Betrieb wechseln. Entsprechende Anlagen und Verfahren sowie die verwendeten Komponenten wie Verdichter, Wärmetauscher und Kolonnen werden für einen robusten stationären Betrieb optimiert. Das Teilprojekt erforscht die Machbarkeit sowie die Auswirkungen eines lastflexiblen Betriebs.

Das Teilprojekt FlexASU von SynErgie hat verschiedene Luftzerlegungsprozesse und Anlagengrößen für die Verfahrensweiterentwicklung ausgewählt. Es hat Methoden entwickelt, um die Wirtschaftlichkeit zu betrachten, die nun evaluiert werden. Modelle für den Hauptwärmetauscher zeigen signifikante Einflüsse des dynamischen Betriebs auf. Die Versuchsaufbauten zur Erprobungen unterschiedlicher Drallerzeugertypen und des flexiblen Betriebs des Hauptwärmetauschers sind weit fortgeschritten.

Wie flexibel der Graphitierungsprozess von Graphitelektroden gefahren werden kann, findet SynErgie gemeinsam mit dem Partner Showa Denko (vormals SGL Carbon) heraus. Graphitelektroden werden unter anderem für die Herstellung von Stahl aus Schrott in elektrisch beheizten Lichtbogenöfen verwendet. Bei der Herstellung der Elektroden wird das Graphit von sehr starken Strömen durchflossen und auf Temperaturen von bis zu 3000°C erhitzt. Hierbei werden die Graphitelektroden von Verunreinigungen befreit und deren Leitfähigkeit für Strom und Wärme verbessert.

Um die energieintensive Graphitierung zu flexibilisieren, mussten zunächst viele verschiedene Temperaturen im laufenden Herstellungsprozess der Graphitelektroden gemessen werden. Die Messergebnisse werden in Modelle zur Wärmeverteilung im Material eingebunden. Damit ist eine Abschätzung möglich, ob die vorgegebene Leitfähigkeit erreicht werden kann.

Das ist wichtig, um auszuschließen, dass die Elektroden bei flexibler Stromzufuhr schlechter funktionieren. Es folgen die praktischen Testläufe.

Der Lehrstuhl für Thermische Verfahrenstechnik der RWTH Aachen untersucht in Zusammenarbeit mit Covestro das energetische Flexibilisierungspotenzial in biologischen und chemischen Reaktionen, beispielsweise einer Chlor-Alkali-Elektrolyse. Dabei wird, je nach Strompreis, entweder Chlor und Wasserstoff (stromintensiv) oder nur Chlor (weniger stromintensiv) produziert.

Das bereits entwickelte Modell für die schaltbare Chlor-Alkali-Elektrolyse wurde um industrienahe Modellparameter und Nebenbedingungen erweitert.  Mit realen Strompreisdaten des Day-Ahead-Marktes (2016) haben die Wissenschaftler ein Programm erstellt, mit dem sie den wirtschaftlich optimalen Betrieb identifizieren können.

Weiterhin wird erforscht, wie sich Butandiol lastflexibel herstellen lässt. Butandiol verwendet die Industrie als Rohstoff für die Kunststoffproduktion. Es wurde eine mögliche Leistungsverschiebung zwischen ca. zehn Megawatt thermisch und zwei Megawatt elektrisch sichtbar. Aktuell führen die Wissenschaftler Validierungsstudien zu den verschiebbaren Leistungspotenzialen durch und bewerten die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens.

In den großen Produktionswerken der Automobilindustrie lässt sich die Energie flexibler einsetzen. Um die größtmögliche Energieeffizienz zu erreichen, haben SynErgie-Forscher ein Strukturmodell der Energieversorgung entwickelt. Ziel des Modells ist es, die energetische Versorgungsstruktur an einem Automobilwerk aufzuzeigen.

Das Modell erleichtert die Identifizierung von Potenzialen für einen energieflexiblen Betrieb, denn es ordnet die jeweiligen Energieverbräuche den Fertigungsprozessen zu. Darüber hinaus berücksichtigt es die Verbräuche in der energiebereitstellenden und -versorgenden Infrastruktur. Die Energieflüsse haben die Modellierer nach den Energieträgern (Strom, Wärme, Kälte, Dampf, Druckluft, Vakuum etc.) gruppiert und im Modell ergänzt.

Um bereits früh Prioritäten setzen zu können, haben sie außerdem die technischen und organisatorischen Flexibilitätsmaßnahmen gesammelt und nach Potenzial und Umsetzungsaufwand klassifiziert.

Für die Automobilindustrie entwickelt SynErgie ein Simulationsmodell, in dem die Flexibilisierungsmaßnahmen im Werk abgebildet werden. So können deren Einflüsse auf den Betrieb ermittelt werden.

Mittlerweile sind beim Projektpartner 22 fest installierte Messgeräte im Einsatz, die ca. 65 Prozent des Energieverbrauchs kontinuierlich erfassen. Daneben werden Einzelmessungen durchgeführt. Um den Aufwand für die umfangreichen Messungen zu minimieren, haben die Forscher für die Produkt Gruppen mit ähnlichen Verbrauchsprofilen gebildet.

Die Grundvoraussetzungen an die Produktion, wie Qualität, Liefertermintreue und Kosten haben sie für die energieflexiblen Maßnahmen priorisiert. Sie bilden die Grundlage für die Entscheidung, ob eine Flexibilitätsmaßnahme durchgeführt wird oder nicht.

Für eine Maschine liegt bereits eine vollständige Simulation des Energieflusses vor. Für die restlichen Maschinen haben die Forscher vorläufig mit Ersatzwerten gearbeitet.

Das Dr. Oetker-Werk in Moers ist der Ausgangspunkt für die Energieflexibilisierung im Bereich der Lebensmittelherstellung. Möglich sind Lastverschiebungen (Druckluft, Raumlufttechnik, Kälteanlage, Kühltunnel, Eiswasservorkühlung, Wasseraufbereitungen und Lagerkühlung) sowie Zuschaltungen aus Blockheizkraftwerken. Für die meisten Maßnahmen sind kleinere Investitionen nötig.

Das Ziel ist hier, einem funktionsfähigen Prototyp zur automatisierten intelligenten Kühlhaussteuerung in den Testbetrieb zu nehmen. Die Grundlage dafür sind Strommarktsignale. Der Prototyp soll an die geplante Energiesynchronisationsplattform angeschlossen werden, die in SynErgie entsteht. Vorabuntersuchungen ergaben einen Spielraum von drei Grad Celsius im Lager. Das bedeutet, man könnte zwischen 13 und 19,2 Prozent der Kosten im Vergleich zum mittleren Marktpreis einsparen.

Auf der anderen Seite fehlen bislang Anreize, die Kühlhaussteuerung flexibler zu fahren und die Hindernisse zur Strombeschaffung sind hoch. Ein Vorteil ist, dass bei Dr. Oetker viele Werke berücksichtigt werden können und die optimierte Kühlhaussteuerung im Vergleich zu anderen Maßnahmen der Flexibilisierung gut umsetzbar ist.

Wie flexibel die Papierindustrie ihre Energie einsetzen kann, untersucht Synergie einmal in Zusammenarbeit mit UPM GmbH und in einem Vergleichsprojekt mit Voith GmbH&Co KGaA. Im Teilprozess Thermo Mechanical Pulp (TMP) werden Holzschnitzel unter hohen Temperaturen zermahlen, wodurch ein hochwertigeres Papier entsteht. Würde noch eine zweite TMP-Anlage gebaut, könnte eine hohe zusätzliche Energieflexibilität (zwischen 2,5 Megawatt und 55,0 Megawatt) erzielt werden und gleichzeitig könnten alle Papiermaschinen auf Volllast produzieren.

Eine Modellbildung des Energieverbrauchs, der Energiebeschaffung und der Eigenerzeugung im Werk Schongau hat SynErgie für alle plausiblen Szenarien abgeschlossen. Dabei hat das Projekt Hindernisse bei der Energiebeschaffung identifiziert und die Informationen und Kennzahlen aus dem Produktionsbetrieb für die folgenden Simulationen als Parameter erhoben.

In der Spezialglasindustrie wird untersucht, in wie weit bei gasbefeuerten Glasschmelzöfen mit elektrischer Zusatzheizung der Stromanteil variiert werden kann. Bei Glasprodukten muss die Qualität stimmen. Dies setzt der Flexibilität des Energieeinsatzes Grenzen.

SynErgie hat das Flexibilisierungspotenzial einer Schmelzanlage bei Reduzierung des Anteils an elektrischer Energie simuliert und bewertet. Die Ergebnisse für diese Anlage zeigen ein Potenzial von ca. 200 kW. Allerdings können die Glastemperaturen bei Veränderung der Energiezufuhr nicht konstant gehalten werden: Je weniger elektrische Energie eingebracht wird, desto stärker sinken die Temperaturen im Glasvolumen, insbesondere in Bodennähe.

Auf Grundlage dieser Ergebnisse wurde entschieden, auch ergänzende Simulationen mit Erhöhung des Anteils an elektrischer Energie durchzuführen. Für alle drei Beispielanlagen konnten in ersten mathematischen Simulationsrechnungen Potenziale in unterschiedlichen Größenordnungen aufgezeigt werden. Die Ergebnisse sind so vielversprechend, dass dieser Ansatz weiter untersucht und konkretisiert wird. Sollten sich diese Ergebnisse in den weiteren Untersuchungen bestätigen, werden im nächsten Schritt die Übergänge unterschiedlicher Anlageneinstellungen erforscht.

Für den energieflexiblen Fabrikbetrieb sollen neue Konzepte entwickelt werden. Für die Technologien Umformen, Presshärten, Druckgießen, Zerspanen und Montieren wurden technische Konzepte entwickelt, die einen energieflexiblen Betrieb von Maschinen und Anlagen ermöglichen. Auch die weitere Produktionsplanung wurde unter dem Aspekt der Flexibilisierung von Energie durchgeführt.

Beim Projektpartner DMK ist es SynErgie gelungen, eine Energiedatenbank um ein zentrales Flexibilitätsmonitoring zu erweitern und mit dem zentralen IT-Zentrum der Fabrik zu verbinden. So können Daten aufgezeichnet werden und stehen danach zentral zur Verfügung.

Das zuvor erstellte Modell der Gas- und Dampfturbinenanlage (GuD) „Edewecht“ wurde in einem Langzeitversuch im Simulationsbetrieb mit einer veränderten Fahrweise aufgrund realer Preisimpulse getestet. Das Modell wurde – neben den bisherigen Parametern Börsenstrompreise, Börsengaspreise, Betriebsparameter, übliche Netzentgelte und Umlagen – um vermiedene Netzentgelte, Anforderungen aus dem Strom- und Energiesteuergesetz, Kosten für CO2-Zertifikate und Viertelstunden-Intraday-Auktionen erweitert. Besonders herausfordernd ist weiterhin die zu geringe Güte der Lastprognosen für den Strom- und Dampfbedarf des Werkes. Hierdurch geht ein Teil des wirtschaftlichen Flexibilitätspotenzials verloren. Außerdem zeigt sich in der Simulation, dass eine wirtschaftliche Flexibilität nur bei extremen Börsenstrompreisen gegeben ist. Starre Steuern, Netzentgelte und Umlagen verhindern, dass ein systemdienliches Anlagenverhalten auch dem wirtschaftlich optimierten Anlagenverhalten entspricht.

Stahl kann über die Produktion in Hochöfen oder durch das Einschmelzen von Stahlschrott zur Wiederverwendung erzeugt werden. Letzteres geschieht über einen sogenannten Elektrolichtbogenofen. Dieser bezieht den Strom aus dem öffentlichen Netz. Der Elektrolichtbogenofen ist eine Schlüsseltechnologie für die Flexibilisierung des Stromnetzes. Das SynErgie Teilprojekt arbeitet daran, diese hohen Entwicklungspotenziale voll auszuschöpfen.  

Um die Flexibilisierung in der Produktion zu verbessern, ist eine deutliche Anpassung der betrieblichen Abläufe erforderlich. Das Projekt versucht sich dieser Aufgabe im Dialog mit den Praxispartnern zu stellen. In einigen Unternehmen besteht beispielsweise eine gewisse Flexibilität durch die Anpassung der Weiterverarbeitungsschritte Außerdem werden die Effekte solcher Maßnahmen in Kennzahlen für die Produktion übertragen und in einem nächsten Schritt auf den Elektrolichtbogenprozess rückgekoppelt.

Die Chlor-Alkali Elektrolyse (CAE) ist ein zentrales Verfahren der chemischen Grundstoffindustrie. Mittels elektrischen Stroms wird dabei eine wässrige Kochsalzlösung zu Chlor, Wasserstoff und Natronlauge umgewandelt. Das Verfahren stellt den Einzelprozess mit dem höchsten Strombedarf dar. Gleichzeitig ist es aber auch der bedeutendste elektrochemische Prozess in der chemischen Industrie. Demzufolge existieren große Entwicklungspotenziale in diesem Bereich.

Da Chlor in größeren Mengen gefährlich ist, sind die Industriestandorte nur mit geringen Speicherkapazitäten ausgestattet. Alle weiteren Folgeprozesse sind vollintegriert. Eine Flexibilisierung des Verfahrens hat somit direkte Auswirkungen auf alle folgenden Prozesse. Im schlimmsten Fall könnte das einen Produktionsausfall nach sich ziehen.

Eine weitere Schwierigkeit stellt die räumliche Verteilung der Chlor-Alkali Elektrolysen dar. Sie befinden sich nicht in unmittelbarer Nähe der erneuerbaren Stromerzeugung. Damit können sie nur einen eingeschränkten Beitrag zur Flexibilität leisten. Im Rahmen der Arbeiten wurden 14 der 18 Standorte genauer untersucht. Das entspricht etwa 91 Prozent der Produktionskapazität. Dabei haben sich verschiedene Entwicklungsmöglichkeiten aufgezeigt. Aufgrund der standortspezifischen Besonderheiten und der absehbaren Bedeutung von lokalen und regionalen Netzengpässen ist es wichtig, diese Potenziale lokal zu analysieren.

Die Glasherstellung stellt als Grundstoffindustrie wichtige Ausgangsprodukte für weitere Verarbeitungsprozesse bereit. Deshalb beschäftigt sich das Teilprojekt mit den Möglichkeiten der Flexibilisierung in diesem Produktionszweig. Im Gespräch mit einem Spezialglashersteller wurden die Potenziale der Glasindustrie ermittelt sowie exemplarisch am Schlüsselproduktionsprozess der Behälterglasherstellung erarbeitet.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Flexibilisierungen gegebenenfalls erfüllt werden können. Dieses Potenzial ist jedoch sehr situationsabhängig. Die technischen Gegebenheiten sowie die Produktionsprozesse spielen dabei eine große Rolle. Einige Glasschmelzaggregate erhalten die notwendige Schmelzenergie bereits jetzt schon aus Erdgas und Strom. Dadurch reduziert sich die elektrische Last alle 24 Stunden für eine Abrufdauer von 15 Minuten. Es kommt dabei zu keiner Qualitätsminderung des Produktes. Allerdings sind die einzelnen Verarbeitungsschritte in einer nicht trennbaren Abfolge miteinander verbunden. Aus diesem Grund ist eine Reduktion oder Steigerung des Verbrauchs über mehrere Stunden oder Tage nicht möglich.

Die weiterführende Analyse für die Flachglasproduktion konnte in der bisherigen Förderdauer nicht durchgeführt werden, ist aber für die Gesamterfassung der Potenziale in der Glasindustrie unerlässlich und daher in den nachfolgenden Aktivitäten geplant.

Die deutsche Feuerfestindustrie ist ein Teilbereich der Keramikindustrie und produziert feuerfeste keramische Werkstoffe. Im Bereich der Herstellung wurde die Schmelzanlage zur Herstellung von Schmelzkorund untersucht. Das Verfahren wurde mit einem Steckbrief und Fragebögen erfasst.

Um Material zu schmelzen, muss eine bestimmte Menge an Energie aufgebracht werden. Diesen Vorgang bezeichnet man auch Schmelzenthalpie. Dabei sind bestimmte Flexibilisierungen des Energieverbrauchs möglich: Eine kurze Vorwarnzeit (15 min) und kurze Abrufdauer (15 min) sind im Bereich von 300-500 kW bei einer typischen Leistung von 3,5 MW erreichbar. Auf längere Sicht kann man negative Laständerungen ein bis zwei Mail im Monat im Bereich von 500 kW einführen. Ein mehrtägiger Stillstand ist aber nicht erreichbar.

Allen Entwicklungen liegt eine gute Zwischenlagerung der Produkte und Rohstoffe zugrunde. Das Anbieten von negativen Laständerungen über 300-500 kW würde Investitionen im Millionenbereich voraussetzen. Grundsätzlich behindern die notwendigen Mindestbetriebsstunden (Netzentgeltproblematik) auch die positiven Laständerungen.

Die Herstellung von Zement gehört zu den weltweit energieintensivsten Produktionen. Insbesondere der Bereich der Materialzerkleinerung besitzt aber hohe Potenziale der Energieflexibilisierung. Zementmühlen wären besonders dafür geeignet. Allerdings sorgen hier technische Gegebenheiten dafür, dass die Einsparungen im Verbrauch kaum möglich sind.

Die Potenziale und Kapazitäten wurden bereits in der ersten Projektphase modelliert. Dabei hatte man die Rahmenbedingungen betrachtet und organisatorische sowie wirtschaftliche Fragestellungen formuliert. Für weitere Untersuchungen sollte der Schwerpunkt nun insbesondere auf den Eigenschaften des Zements liegen. Die Qualität der genormten Produkte (DIN EN 197-1) darf durch die Flexibilisierung der Prozesse nicht beeinträchtigt werden. Darüber hinaus unterliegen die Mahlanlagen aufgrund häufigerer An- und Abfahrvorgängen erhöhtem Verschleiß. Diesen gilt es zu begrenzen.

Unter den gegebenen Rahmenbedingungen sind kurzfristige An- und Abfahrvorgänge der Zementmühlen realisierbar. Ein kurzzeitiges Abschalten der Mühle ist möglich. Die Beeinflussung der Produktqualität wird hier geringer eingeschätzt als bei längeren Stillstandzeiten. Eine erhebliche Erhöhung der An- und Abfahrprozesse führt allerdings zu einer Verringerung der Effizienz.

Die kurzzeitige Bereitstellung von Lastabnahmen ist jedoch schwieriger, da ein stabiler Betrieb der Mahlanlage unter den meisten Produktionsbedingungen nicht kurzfristig erreicht werden kann. Längerfristige Maßnahmen unterliegen höheren Ungewissheiten bezüglich der Zementqualität. Es zeigt sich eine deutliche Abhängigkeit zur Versorgungssicherheit des Produktes hinsichtlich kurzfristiger Produktnachfragen.

Langfristige Lastverschiebungen können nur mit Anpassung der Silokapazitäten erreicht werden. Die Kosten für den Neubau und die Vergrößerung der Silos unterliegen standortspezifischen Einflüssen und scheinen aus heutiger Perspektive nicht rentabel. Ein weiteres konkretes Modell wird erst in Zusammenarbeit mit einem Zementunternehmen möglich und sinnvoll sein.

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