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Produktions­prozesse

Produktionsprozesse

SynErgie leistet durch Innovationen einen maßgeblichen Beitrag zur erfolgreichen Umsetzung der Energiewende.

Dabei werden nicht nur Maßnahmen zur Energieeffizienz in den Schlüsselindustriebranchen Chemie, Papier, Metall, Stahl, Aluminium und Kunststoff umgesetzt, sondern vor allem neue Technologien zur Energieflexibilisierung in diesen Industriezweigen für die besonders energieintensiven Prozessschritte vorangetrieben. Damit wird es möglich Prozessschritte so zu gestalten, dass der Energieeinsatz variiert oder verschoben werden kann. In Kombination mit einem zentralen Flexibilitätsmanagement, welches Energiebedarfsprognosen beachtet, können die Energiekosten erheblich gesenkt werden.

Torun Bark Magnesium GmbH
abgegossene Metallschmelze für den Eisenguss

Im Fokus stehen neue Verfahrens-, Betriebs- und Steuerungskonzepte, die es ermöglichen, Produktionsanlagen energieflexibel zu betreiben. Diese können sowohl produktionsorganisatorische als auch technische Maßnahmen umfassen. Ziel ist es, Potenziale von neuen, variabel nutzbaren elektrischen Lasten sowohl in der Prozessindustrie als auch in der diskreten Fertigung anwendungsbereit zu erschließen.

Im Zusammenspiel von technologischen Einzellösungen und der Kopplung thermischer und elektrischer Erzeuger sowie Verbraucher können Flexibilitätspotenziale sektorübergreifend gehoben werden. Mit einer energieorientierten und kostenoptimalen Produktionsplanung und -steuerung (Arbeitsgebiet Informations- und Kommunikationstechnik) werden unter Einbeziehung mehrerer Energieträger und Flexibilitätsmärkte (Arbeitsgebiet Markt- und Stromsystem) die Kosten signifikant gesenkt. So ist durch die Gestaltung eines DigitalTwin, als wichtiger Bestandteil zur Verbesserung der Vorhersage einer Anlage, möglich, vorausschauende Regelungen im Gesamtsystem zu treffen. Zwei Beispiele für Flexibilisierungskonzepte sind nachfolgend genannt:

In der chemischen Industrie steht einer Flexibilisierung bestehender Syntheserouten oft eine hohe Anlagenauslastung und Effizienzverluste beim Verlassen des optimierten Auslegungspunktes im Weg. Der Fokus liegt daher auf der Entwicklung neuer Syntheserouten, die im flexiblen Betrieb eingesetzt werden können. Durch ein begleitendes Life Cycle Assessment wird ermittelt, wie sich der Einsatz der Technologie auf die Ökobilanz des Gesamtprozesses im Vergleich zu konventionellen Verfahren auswirkt.

Hebende Flexibilitätspotenziale finden sich ebenso in der Umgestaltung eines Schmiedeofens, welcher bisher ausschließlich mit elektrischer Energie erwärmt wurde. Dieser kann nun zusätzlich/alternativ durch die Abwärme einer Gasturbine beheizt werden. Drauf aufbauend gilt es geeignete Steuer- und Regelungsstrategien zur Betriebsführung dieses bivalenten Wärmebehandlungsofens zu entwickeln.

Weitere Flexibilisierungskonzepte im Überblick:

  • Schaltbare Chlor-Alkali-Elektrolyse
  • Energieflexible Extraktion biobasierter Carbonsäuren
  • Flexible Halbstoffherstellung unter Ausnutzung mehrerer Energieträger durch eine intelligente Steuerung – „FlexPulp“
  • Bivalenter Leichtmetalldruckguss
  • Energieflexible Kunststoffverarbeitung
  • Flexible Luftzerlegung – “FlexASU”
  • Hybride Beheizung in der Stahlindustrie – „HyBeSt“
  • Intraday-Energiemanagement für Elektrostahlwerke – „FlexElectricSteel“
  • Massivumformung – Bivalente Erwärmung
  • Digitaler Zwilling in der Aluminium Elektrolyse

Die enge Kooperation zwischen den Partnern und der angewandten Forschung stellt sicher, dass die realisierten Lösungen grundlegende Verbesserungen ermöglichen und multiplizierbar sind.

TRIMET SE
Blick in eine Aluminium-Elektrolysehalle
UPM GmbH 2017
Eine der Papiermaschinen von UPM am Standort Schongau.
FIM/FIT
Darstellung der Energie- und Stoffflüsse mit Steuerungsmöglichkeiten in der Halbstoff- und Papierherstellung am Beispiel des UPM-Standorts in Schongau.
Fraunhofer IWU, angelehnt an Graßl (2015)
Energieflexibler Fabrikbetrieb (nach Graßl, 2015) 2Markus Graßl (2015): Bewertung der Energieflexibilität in der Produktion. Dissertation. München: Utz. Forschungsberichte IWB. 300. ISBN 978-3-8316-4476-6

Ergebnisse

Entwicklung von Technologien zur Steigerung der Lastflexibilität von Luftzerlegungsanlagen → Konstruktive Anpassungen an Wärmeüberträgern für einen intelligenten Betrieb

Aktuelle Luftzerlegungsanlagen (LZA) sind meist auf einen stationären Betrieb ausgelegt. Häufige, schnell spürbare Lastwechsel im Rahmen der Lastflexibilisierung könnten die Anlagenkomponenten stark beanspruchen. Zusätzlich kann ein Verlassen des Auslegungspunktes mit einem signifikanten Effizienzverlust einhergehen.

Die neue energieoptimierte Produktionsplanung identifiziert bereits bei heutigen Preisschwankungen vielversprechende Potentiale zur Reduktion der Energiekosten. Zusätzlich wurden an Wärmeübertragungen konstruktive Änderungen vorgenommen, um Thermospannungen zu verringern und die Lebensdauer somit zu erhöhen. In Simulationsstudien werden weiterführend detaillierte dynamische Anlagenmodelle erstellt und an realen Daten validiert. Diese digitalen Zwillinge erlauben, dass neue Betriebskonzepte für Industrieanlagen ohne Beeinträchtigung der Produktion in realitätsnahen Simulationen erprobt werden.

 

FLEXASU: Innovative Luftzerlegungstechnologie

Entwicklung von Technologien zur Lastflexibilisierung der Aluminiumelektrolyse. Erfolgreicher Testbetrieb und Lastverschiebung von +19 MW auf -14 MW für über 2 Stunden möglich.

Aluminium wird global ausschließlich nach dem 1886 patentierten Hall-Héroult-Verfahren der Schmelzflusselektrolyse aus Aluminiumoxid (Al2O3, Tonerde) bei einer Betriebstemperatur von ca. 960 °C gewonnen. Für ein gutes Ergebnis zählt eine rund um die Uhr konstante Stromabnahme. Bei einer volatilen Stromversorgung wäre der Elektrolysebetrieb daher nicht aufrecht zu erhalten.

Eine Magnetfeldkompensation ermöglicht die Flexibilisierung der Aluminiumelektrolyse. Durch einen veränderlichen Elektrolysestrom werden die magnetischen Störungen im Prozess weitgehend eliminiert und so die Voraussetzung für eine Energieflexibilisierung geschaffen. Steuerbare Wärmetauscher und der Nutzen einer virtuellen Batterie erhöhen das Energieverschiebepotenzial auf die Kapazität eines mittelgroßen Pumpspeicherwerks.