TWINGHY: Digital TWINs for Green HYdrogen transition in steel industry

Im Rah­men des von der EU geför­der­ten For­schungs­pro­jek­tes TWINGHY — Digi­tal TWINs for Green HYdro­gen tran­si­ti­on in steel indus­try — wird die Dekar­bo­ni­sie­rung des Wie­der­erwär­mungs­pro­zes­ses in der Stahl­in­dus­trie demons­triert. Dazu wer­den zwei hybri­de Erd­gas-Was­ser­stoff-Bren­ner für die Ver­bren­nung mit Luft und mit Sau­er­stoff ent­wi­ckelt und samt der benö­tig­ten Infra­struk­tur in einem Wie­der­erwär­mungs­ofen instal­liert. Ein zusätz­li­cher Fokus liegt auf der Digi­ta­li­sie­rung des Pro­zes­ses. Im Lau­fe des Pro­jek­tes wer­den digi­ta­le Zwil­lin­ge zwei­er Wie­der­erwär­mungs­öfen erstellt. Dabei wer­den ein daten­ge­trie­be­ner Ansatz und ein phy­si­ka­lisch basier­ter Ansatz ver­folgt und abschlie­ßend ver­gli­chen. Um die digi­ta­len Zwil­lin­ge mit Daten zu füt­tern, wird die Mess­tech­nik der Öfen erwei­tert und durch umfas­sen­de CFD-Simu­la­tio­nen ergänzt.

Kon­sor­ti­um des Forschungsprojektes

Das breit auf­ge­stell­te Kon­sor­ti­um setzt sich aus Part­nern aus der Indus­trie, For­schungs­ein­rich­tun­gen und Uni­ver­si­tä­ten zusam­men. Die Ofen-Demons­tra­to­ren im Indus­trie­maß­stab wer­den von den Stahl­pro­du­zen­ten Cel­sa Group und SSAB bereit­ge­stellt. Der hybri­de Bren­ner für die Ver­bren­nung mit Luft wird von Ofen­bau­er Fives ent­wi­ckelt. Gas­zu­lie­fe­rer Nip­pon Gases lie­fert einen neu­en Bren­ner für die Feue­rung mit rei­nem Sau­er­stoff und führt den Auf­bau der erfor­der­li­chen Infra­struk­tur zur Ver­sor­gung mit Was­ser­stoff und Sau­er­stoff durch. Die ent­spre­chen­den Akti­vi­tä­ten lau­fen bei Pro­jekt­ko­or­di­na­tor Cel­sa zusam­men, in deren Hub­bal­ken­ofen die For­schungs­ar­beit mit dem all­täg­li­chen Pro­duk­ti­ons­zy­klus ver­ein­bart wer­den muss.

Auf Sei­ten des IOB wer­den Mess­kam­pa­gnen vor und nach der Umrüs­tung des Ofens von Cel­sa durch­ge­führt, um die Aus­wir­kun­gen auf den Pro­zess zu erfas­sen. Die erhal­te­nen Daten die­nen dem Set­up und der Vali­die­rung effi­zi­en­ter RANS-CFD-Simu­la­tio­nen von ein­zel­nen Bren­nern sowie dem gesam­ten Ofen. Die hoch­auf­lö­sen­de Bench­mark für die­se Simu­la­tio­nen wird vom Bar­ce­lo­na Super­com­pu­ting Cen­ter (BSC) in Form von Lar­ge-Eddy-Simu­la­tio­nen bereit­ge­stellt. Die Daten aus dem regu­lä­ren Betrieb und zusätz­li­chen Mes­sun­gen hel­fen dem BSC außer­dem dabei, den Pro­zess mit Hil­fe von neu­ro­na­len Net­zen zu model­lie­ren. Der auf die­se Wei­se erhal­te­ne daten­ge­trie­be­ne digi­ta­le Zwil­ling wird mit einem Fini­te-Ele­men­te-Pro­zess­mo­dell ver­gli­chen, das von Swe­rim aus den phy­si­ka­li­schen Prin­zi­pi­en der Wär­me­über­tra­gung abge­lei­tet wird.

Par­al­lel zu den Ent­wick­lun­gen wer­den die Ein­flüs­se des Brenn­stoff-Wech­sels auf das Feu­er­fest vom Insti­tut für Geste­ins­hüt­ten­kun­de der RWTH (GHI) und dem Feu­er­fest-Her­stel­ler Cal­derys unter­sucht. In die­sem Zuge wer­den Mate­ri­al­pro­ben den ver­än­der­ten Bedin­gun­gen hin­sicht­lich des erhöh­ten Was­ser­ge­hal­tes im Ofen­raum und lokal ver­än­der­ten Tem­pe­ra­tu­ren im Labor aus­ge­setzt. Auch im Ofen wer­den Pro­ben ein­ge­setzt, um Daten am rea­len Demons­tra­tor zu sam­meln. Neben dem Feu­er­fest erfährt auch das Pro­dukt die ver­än­der­te Atmo­sphä­re im Ofen­raum. Ent­spre­chen­de Tests wer­den an der Uni­ver­si­ty of Oulu durch­ge­führt, um zu gewähr­leis­ten, dass sich durch den Brenn­stoff-Wech­sel kei­ne Ein­bu­ßen in der Pro­dukt­qua­li­tät ergeben.

Mess­kam­pa­gne am Wie­der­erwär­mungs­ofen im Stahl­werk Cel­sa 3