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Technologieentwicklung

Flexibilitätstechnologieentwicklung

Der Strang Flexibilitätstechnologieentwicklung entwickelt Methoden und Prozesse, um die Operation von energieintensiven Prozessen flexibel auf variable Stromversorgung aus erneuerbaren Quellen anzupassen. Die zur Flexibilisierung erforschten Technologien sollen dabei sowohl in der Prozessindustrie als auch in der Fertigungsindustrie einsetzbar sein.

SynErgie
Aufbau und Fokus vom Strang Flexibilitätstechnologieentwicklung in SynErgie III

Die unterschiedlichen Zielgrößen der verschiedenen Industrien erfordern einen Mix aus individualisierten Lösungen und übertragbaren Konzepten. Durch diese Kombination ist es dem Strang möglich, auch in der dritten Förderphase neue Flexibilitätspotenziale zu erschließen. Die Potenziale reichen hierbei von der Erweiterung des Arbeitsbereiches von einzelnen Verfahrensschritten bis zur Flexibilisierung von Verbundanlagen, die auf komplette Wirtschaftszweige übertragbar sind. Zusammen mit der parallel stattfindenden Weiterentwicklung der in vergangenen Förderphasen gefundenen Technologien ist das Ziel, das Portfolio an energieflexiblen Prozessen und Fabriken in Deutschland zu vergrößern.

Die Flexibilisierung erfolgt durch Einbau und Entwicklung neuester Erkenntnisse aus Wissenschaft und Grundlagenforschung, beispielsweise durch Einbeziehen neuer Regelungskonzepte, künstlicher Intelligenz oder neuer Prozessstrukturen. Die enge Zusammenarbeit mit dem Strang Flexibilitätsvermarktung erlaubt es, früh die Auswirkungen der neuen Technologien auf den gesamten deutschen Markt abzuschätzen. Darüber hinaus ermöglicht die Kombination von industriellen und wissenschaftlichen Partnern eine schnelle Anhebung des Technology-Readyness-Levels, wodurch eine deutlich schnellere Skalierbarkeit der entwickelten Technologien auf die deutsche Industrielandschaft möglich ist. Verbunden mit der Entwicklung geeigneter Prognosetools können somit sowohl kleinste Unternehmen als auch Weltkonzerne ihre Kosten erheblich senken und dadurch ihre Wettbewerbsfähigkeit maximieren.

In der Vergangenheit erfolgte eine solche Maximierung der Wettbewerbsfähigkeit oft durch eine Maximierung der Energieeffizienz. Gerade in den Bereichen der chemischen und der Grundstoffindustrie fand eine solche Entwicklung statt. Hierfür wurden energieintensive Prozesse oft zu einem sehr schmalen, aber energieeffizienten Betriebspunkt entwickelt. Bei einer Flexibilisierung einer solchen für den stationären Betrieb optimierten Anlage kommt es oft zu großen Effizienzverlusten, wodurch der Prozess wirtschaftlich unrentabel wird. Im Teilprojekt „materialflussbasierte Flexibilitätstechnologie“ werden Maßnahmen entwickelt, die die Bereitstellung von Flexibilität in der Produktion ohne Effizienzverluste zu ermöglichen.

Ein wesentlicher Teil des Strangs Flexibilitätstechnologieentwicklung ist auf die Entwicklung neuer Prozesse fokussiert. Das Ziel der neu entwickelten Prozesse ist die Nutzung nachhaltiger statt fossiler Rohstoffe. Beispielsweise wird mit dem Industriepartner BASF durch die Elektrifizierung einzelner Prozessschritte die nachhaltige Produktion der Hydroxyproprionsäure erforscht, welche als Plattformchemikalie vielseitig Anwendungen hat. Gleichzeitig findet in Kooperation mit Siemens und eine Untersuchung von modellprädiktiven Automatisierungsmethoden zur Flexibilisierung klassischer chemischer Anlagen statt. Als Beispielsprozess wurde die Biodieselproduktion gewählt. Die grundlegenden Flexibilisierungsmöglichkeiten im Rahmen des Biodieselprozess sind gut auf andere Prozesse übertragbar, da die Verschaltung von Reaktoren und Trennprozessen typisch für technische Großprozesse ist. Auch die Flexibilisierung mehrerer vernetzter Prozesse in einem Verbund mittels digitaler Zwillinge wird anhand eines OxyFuel-Zementwerks zusammen mit thyssenkrupp Polysius erforscht. Neben dem zusätzlichen Flexibilisierungspotential führen die betrachteten Prozesse zu einer Reduktion der CO2 Emissionen.

Auf apparatetechnischer Ebene wird in Zusammenarbeit mit MAN das Konzept für flexible Verdichter entwickelt. Ziel der Entwicklung ist die Erweiterung des effizienten Arbeitsbereiches des Verdichters bei flexiblem Einsatz, wodurch der durchfließende Prozessstrom bei möglichst gleichbleibender Effizienz deutlich höhere Fluktuationen aufweisen kann. Eine einstellbare Geometrie, die sich intelligent und dynamisch an die Prozessbedürfnisse anpasst, ist für die Erweiterung verantwortlich. In einem weiteren Arbeitspaket wird zudem die notwendige Software für den flexiblen Einsatz entwickelt und gemeinsam mit MAN validiert. Durch diese Entwicklungen wird es schon bald möglich sein, Verdichter ohne Effizienzverluste flexibel zu fahren. In weiteren Arbeitspaketen wird gemeinsam mit der Electronic Design Chemnitz GmbH untersucht, wie Konzepte der wandelbaren Fertigung flexibilisiert werden können. Ein Beispiel für wandelbare Fertigungsprozesse ist die modulare Fertigung, in der eine Neuanordnung der Fertigungsstraße durch die modularen Komponenten stark vereinfacht wird. Durch die Erfassung von Hardware- und Softwareanforderungen sowie der Bereitstellung der daraus abgeleiteten Maßnahmen für die Einbindung der Energieflexibilität in die wandelbaren Fertigungsstraßen wird es Unternehmen ermöglicht, die zunehmend eingesetzten modularen Fertigungstrassen energieflexibel zu betreiben.

Neben den beschriebenen Neuentwicklungen ist auch der energieflexible Betrieb älterer Anlagen Ziel des Projekts. Darum beschäftigt sich das Teilprojekt „energieflussbasierte Flexibilitätstechnologie“ mit der flexiblen Bereitstellung von Energie, zumeist in Form von Wärme oder Kälte. Beispielsweise wird mit den Industriepartnern WS Wärmeprozesstechnik GmbH, thyssenkrupp Steel Europe und Kanthal der Einsatz von bivalenten Heizsystemen erforscht, um traditionell mit fossilen Brennstoffen betriebene Heizrohre für den flexibel mit elektrischer Energie beheizten Betrieb umzurüsten. Durch diese Flexibilisierung gelingt es, auch ältere Anlagen an die Energieflexibilisierung anzuknüpfen.

thyssenkrupp Steel Europe, Contiglühe in Dortmund
Die Dortmunder Contiglühe verarbeitet Stahlband aus der BETA-Kaltbandlinie am Standort. In der Contiglühe kann das Stahlband auf bis >800°C erhitzt werden, um die gewünschten mechanischen Eigenschaften zu erzielen. Das Stahlblech durchläuft die rund 300 Meter lange Anlage mit einer Geschwindigkeit von bis zu 300 Meter pro Minute.

Auch der von der Alois Müller GmbH entwickelte EFlex-Container dient der Flexibilisierung älterer Anlagen. Der EFlex-Container ist als containerbasierter Energiespeicher dazu fähig, die Energieversorgung vom Produktionsprozess entkoppelt sicherzustellen. Durch die entwickelten Individualisierungs- und Skalierungsmöglichkeiten bietet sich der EFlex-Container als Plug-and-Play System für die flexible Bereitstellung von Energie an, der als flexible Lösung, angepasst an die individuellen Bedürfnisse der Kunden, Energie speichert und bereitstellt.

Die entwickelten Technologien für Material- und Energiefluss basierte Flexibilität basieren auf modernsten Erkenntnissen. So erlaubt die Kreation von digitalen Zwillingen, Prozessmodifikationen zu Simulieren und somit früh die optimalen Flexibilisierungsmaßnahmen zu finden. Gleichzeitig werden durch Laborversuche die notwendige Datengrundlage für die digitalen Zwillinge geschaffen und die digitalen Zwillinge validiert. Darüber hinaus werden Pilotanlagen zusammen mit industriellen Partnern geplant und betrieben, wodurch die Technologien sehr schnell auf das Level der Marktreife angehoben werden.

Strangübergreifend ist durch die enge Kooperation mit industriellen Partnern sichergestellt, dass die entwickelten Technologien einsatzbereit sind und modernste Verbesserungen enthalten. Durch dieses Zusammenspiel wird es uns möglich sein, weiten Teilen der Industrielandschaft die passende Flexibilisierungstechnologie anzubieten.