FlexHybHeat: Verfahrensentwicklung für ein hybrides Beheizungskonzept zur hochflexiblen und CO₂-armen Knüppelerwärmung in Elektrostahlwerken

Gesamt­ziel des Pro­jek­tes Flex­Hyb­Heat ist es, ein fle­xi­bles Behei­zungs­kon­zept für die Stahl­knüp­pel-Wie­der­erwär­mung zu ent­wi­ckeln. Das Behei­zungs­kon­zept soll trotz indi­vi­du­el­ler Rei­hen­fol­ge­wün­sche des Walz­werks in der Lage sein Warm- und Direkt­ein­satz­quo­ten von 10% und 70% bei gleich­zei­tig indi­vi­du­ell wähl­ba­rer Zieh­tem­pe­ra­tur je Knüp­pel zu errei­chen. Der durch den erhöh­ten Direkt­ein­satz sin­ken­de Pri­mär­ener­gie­be­darf geht mit einer CO₂-Reduk­ti­on ein­her, wel­che durch den Ein­satz erneu­er­ba­rer Ener­gien in Form von bei­spiels­wei­se Strom oder Was­ser­stoff wei­ter gesenkt wer­den soll. Eine Stei­ge­rung des Direkt­ein­sat­zes bei gleich­blei­ben­der Fle­xi­bi­li­tät ist nur durch ein neu­ar­ti­ges mehr­stu­fi­ges Behei­zungs­kon­zept mög­lich. Zur Vor­her­sa­ge der Knüp­pel­tem­pe­ra­tur wer­den ther­mi­sche Model­le der Teil­an­la­gen zu einem Pro­zess­ket­ten­mo­dell zusam­men­ge­fasst und in ein Pro­zess­füh­rungs­sys­tem über­setzt, wel­ches die Steue­rung der Gesamt­an­la­ge über­nimmt. Ein eben­falls zu ent­wi­ckeln­des Life Cycle Assess­ment wird in das Pro­zess­ket­ten­mo­dell sowie das Pro­zess­füh­rungs­sys­tem inte­griert, um sowohl bei der Aus­le­gung eines Behei­zungs­sys­tems als auch bei deren Betrieb kon­ti­nu­ier­lich den Ein­fluss von bei­spiels­wei­se Ener­gie­trä­ger­wech­seln, Last­ver­la­ge­run­gen oder Direkt­ein­satz­quo­ten auf die Effi­zi­enz, den CO₂-Fuß­ab­druck sowie die Kos­ten dar­stel­len zu kön­nen. So leis­tet die­ses Vor­ha­ben einer­seits einen Bei­trag zur Dekar­bo­ni­sie­rung im Bereich der Stahl­ver­ar­bei­tung, ande­rer­seits aber auch zur Akzep­tanz von rech­ner­ge­stütz­ten Pro­zess­fahr­wei­sen in der Indus­trie. Die ent­wi­ckel­te Lösung soll nicht nur für neue Ofen­an­la­gen, son­dern mög­lichst auch für Retro­fit-Instal­la­tio­nen geeig­net sein und damit eine kurz­fris­ti­ge Markt­dif­fu­si­on ermöglichen.

Frisch gegos­se­ne Stahl­knüp­pel auf dem Weg zur Wiedererwärmung

Die Auf­ga­ben­ge­bie­te der Pro­jekt­part­ner füh­ren zur Glie­de­rung des Ver­bund­vor­ha­bens in drei Teilvorhaben:

• Modi­fi­ka­ti­on des indus­tri­el­len Pro­zess­füh­rungs­sys­tems und Unter­su­chung der Ein­flüs­se auf den Betrieb sowie Vali­die­rungs­ver­su­che (ESF)
• Kon­zep­ti­on, Ent­wick­lung und Imple­men­tie­rung des Pro­zess­füh­rungs­sys­tems für das mehr­stu­fi­ge Behei­zungs­kon­zept (GIWEP)
• Auf­bau von Anla­gen­mo­del­len und eines online Life Cycle Assess­ment zur Zusam­men­füh­rung in ein Pro­zess­ket­ten­mo­dell (IOB)

Im Rah­men des Pro­jekts wer­den ther­mi­sche Pro­zess­mo­del­le poten­ti­el­ler Erwär­mungs­an­la­gen auf­ge­baut. Die Anla­gen­mo­del­le der ESF-Anla­gen (Hub­herd­ofen, Induk­tor, etc.) wer­den durch Mess­kam­pa­gnen vali­diert. In einem Pro­zess­ket­ten­mo­dell wer­den die ein­zel­nen Anla­gen­mo­del­le gekop­pelt, um mehr­stu­fi­ge Erwär­mungs­pro­zes­se abbil­den zu können.

Par­al­lel wird das aktu­el­le Ofen­leit­sys­tem ana­ly­siert und ein Pro­zess­füh­rungs­sys­tem ent­wi­ckelt, wel­ches mehr­stu­fi­ge Erwär­mungs­pro­zes­se hand­ha­ben kann. Ein Life Cycle Assess­ment wird eben­falls ent­wi­ckelt und in das Pro­zess­füh­rungs­sys­tem inte­griert. Das Pro­zess­ket­ten­mo­dell bie­tet die Mög­lich­keit ver­schie­de­ne Behei­zungs­sze­na­ri­en gegen­ein­an­der zu tes­ten, um das opti­ma­le Kon­zept für ESF zu entwickeln.

Vali­die­rungs­ver­su­che von Pro­zess­ket­ten, wel­che durch Ein­zel­ver­su­che an den bestehen­den Anla­gen nach­ge­stellt wer­den kön­nen, die­nen der Vali­die­rung der Pro­zess­ket­ten­si­mu­la­ti­on sowie des Prozessführungssystems.

Die ESF stellt die Daten­ba­sis und das Know­How für die Knüp­pel­er­wär­mung bereit, wel­che für die Ent­wick­lung eines fle­xi­blen Behei­zungs­kon­zepts not­wen­dig sind. Im wei­te­ren Pro­jekt­ver­lauf wer­den die Vali­die­rungs­mes­sun­gen für die Anla­gen­mo­del­le, die Umrüs­tung des Pro­zess­füh­rungs­sys­tems sowie die Vali­die­rungs­ver­su­che für eine Aus­le­gung des fle­xi­blen Behei­zungs­kon­zepts bei ESF im Werk Rie­sa durchgeführt.

GIWEP über­nimmt die Ana­ly­se der aktu­el­len Ofen­steue­rung bei ESF und wird dar­auf auf­bau­end ein neu­es Pro­zess­füh­rungs­sys­tem ent­wi­ckeln. Das Pro­zess­füh­rungs­sys­tem wird zum einen die mehr­stu­fi­ge Erwär­mung an Hand des Pro­zess­ket­ten­mo­dells abbil­den als auch das Life Cycle Assess­ment inte­grie­ren. Im Pro­jekt­ver­lauf führt GIWEP Schlepp­ver­su­che an den bestehen­den Anla­gen durch, um die Model­le zu validieren.

Das IOB star­tet mit der Ent­wick­lung von Anla­gen­mo­del­len für Erwär­mungs­an­la­gen, wel­che im Pro­jekt­ver­lauf zu einem Pro­zess­ket­ten­mo­dell ver­knüpft wer­den, sodass Erwär­mungs­sze­na­ri­en eva­lu­iert wer­den kön­nen. Par­al­lel fin­det der Auf­bau eines Life Cycle Assess­ments statt, wel­ches zusam­men mit dem Pro­zess­ket­ten­mo­dell anschlie­ßend in das Pro­zess­füh­rungs­sys­tem von GIWEP über­führt wird.

Es wer­den von allen Part­nern gemein­sam Vali­die­rungs­mes­sun­gen bei ESF durch­ge­führt. Das IOB führt hier­zu Abgas­mes­sun­gen, sowie Tem­pe­ra­tur­mes­sun­gen der Ofen­struk­tur durch.