Stahlwerk Energiemodell: Lastprofilanalyse

Der Text beginnt mit einem Vergleich der Schrott-Elektrolichtbogenofenroute (EAF) mit anderen Stahlproduktionsverfahren. Die EAF-Route wird als deutlich umweltverträglicher dargestellt, da sie einen geringeren spezifischen Energieverbrauch und geringere CO2-Emissionen aufweist. Dies liegt an der nahezu vollständigen Recyclingfähigkeit von Stahl, was zu einem weltweit steigenden Anteil der Stahlproduktion über die EAF-Route führt. Die höhere Energieeffizienz der EAF-Route wird hervorgehoben, wobei der geringere Energieverbrauch im Vergleich zum Hochofenverfahren deutlich gemacht wird. Um weitere Optimierungsmöglichkeiten speziell im Hinblick auf Energieeffizienz und Demand Side Management (DSM) zu erforschen, wird die Notwendigkeit von detaillierten Lastprofilen der Verbraucher für verschiedene Betriebssituationen betont. Der hohe Energieverbrauch der EAF-Route, der teilweise durch fossile Brennstoffe gedeckt werden muss, wird ebenfalls erwähnt, was den Bedarf an einem Energiesystemmodell für weitere Optimierungen unterstreicht. Die Kreislaufwirtschaft spielt eine wichtige Rolle, da die EAF-Route den Stahlschrott als primären Rohstoff nutzt und somit zur Nachhaltigkeit beiträgt.

Ein Schwerpunkt liegt auf den umweltrelevanten Aspekten der Stahlproduktion mittels Elektrolichtbogenofen (EAF). Der Text unterstreicht die geringeren CO2-Emissionen im Vergleich zu anderen Verfahren wie der integrierten Hochofenroute. Die Reduktion der spezifischen CO2-Emissionen um 32% im Zeitraum von 1990 bis 2010 wird hervorgehoben, wobei der Rückgang der indirekten Emissionen durch die elektrische Energie eine zentrale Rolle spielt. Die EAF-Stahlproduktion wird als umweltfreundlicher dargestellt, da sie neben dem geringeren Energieverbrauch auch weniger Ressourcen verbraucht. Die Rolle der Kreislaufwirtschaft wird betont, da die EAF-Route auf dem Recycling von Stahlschrott basiert. Dabei werden verschiedene Arten von Schrott wie veralteter Schrott (Autos, Geräte), Industrieabfälle und interner Schrott berücksichtigt. Begleitelemente im Schrott, wie Kupfer und Zinn, sowie der hohe Zinkgehalt werden diskutiert. Die Problematik des Elektrolichtbogenofen-Staubs und die Notwendigkeit seiner Nachbehandlung aufgrund der Auslaugungsgefahr von Schadstoffen wie Zink, Cadmium und Blei wird angesprochen. Innovative Technologien wie wassergekühlte Ofenwände und Dächer sowie computergestützte Prozesssteuerung zur Energieeinsparung und Emissionsreduktion werden erwähnt.

Der Energieverbrauch der Elektrolichtbogenofenroute (EAF) wird detailliert untersucht. Es wird festgestellt, dass die genaue Bestimmung des Gesamtenergieeintrags komplex ist, da der EAF Energie aus verschiedenen Quellen bezieht (elektrische Energie, chemische Energie durch Verbrennung von Gasen oder Öl, Energiefreisetzung durch Oxidation von Elementen). Eine Formel zur Energiebilanz wird vorgestellt, welche den Energieeintrag und -austrag (Stahl- und Schlackeenthalpie, Wärmeverluste des Abgases, Kühlverluste) berücksichtigt. Der hohe Energieverbrauch im Vergleich zur integrierten Hochofenroute wird jedoch relativiert, indem der Energieverbrauch zur Roheisenproduktion im Hochofen einbezogen wird. Die EAF-Route zeigt sich trotz eines scheinbar höheren direkten Energieverbrauchs als deutlich weniger energieintensiv, wenn die gesamte Energiekette betrachtet wird. Im Vergleich zur BOF-Route (Basic Oxygen Furnace) liegt der Energiebedarf der EAF-Route deutlich niedriger (9,1 bis 12,5 GJ/Tonne Stahl vs. 26,4 bis 41,6 GJ/Tonne Stahl). Die Einsparung an CO2-Emissionen und Ressourcen wird als weiterer wichtiger Vorteil der EAF-Stahlproduktion hervorgehoben. Die Möglichkeiten zur Energierückgewinnung durch verschiedene Kühltechniken (kalte/warme Kühlung, Verdunstungskühlung) werden ebenfalls angesprochen.

Die Modellierung des Energiesystems im Stahlwerk der Breitenfeld Edelstahl AG basiert auf der Erfassung und Analyse realer Daten. Dazu wurden Prozessparameter und Leistungsdaten der einzelnen elektrischen Aggregate im Stahlwerk erfasst. Diese realen Lastprofile dienten als Grundlage für die Erstellung eines Energiesystemmodells. Die gemessenen Daten umfassen Wirk-, Blind- und Scheinleistung mit einer zeitlichen Auflösung von einer Minute. Die Prozessparameter weisen teilweise große Streuungen auf, was bei der Modellierung berücksichtigt wurde. Um realitätsnahe Simulationsergebnisse zu gewährleisten, wurden aus den Messdaten Häufigkeitsverteilungen ermittelt und in das Modell integriert. Diese Methodik erlaubt eine hohe Flexibilität des Modells, da auch nachträgliche Änderungen von Parametern, z.B. der mittleren Tap-to-tap-Zeit, mit den entsprechenden Verteilungen berücksichtigt werden können. Die so erzeugten Daten bilden die Basis für die Erstellung der synthetischen Lastprofile.

Aus den realen Daten wurden synthetische Lastprofile für Wirk-, Blind- und Scheinleistung erstellt. Dafür wurde ein einheitliches Konzept entwickelt, das verschiedene stochastische und statistische Methoden einsetzt. Die synthetischen Lastprofile bilden die einzelnen Verbraucher im Energiesystemmodell ab. Die Modellierung umfasst den Elektrolichtbogenofen (EAF) als größten Einzelverbraucher, den Pfannenofen und verschiedene Gebläse (Primär-, Sekundär- und Entstaubungsgebläse). Für den EAF wurden Prozesszeiten, Schrottmenge und Energieverbrauch berücksichtigt, während für den Pfannenofen 20 repräsentative Referenzchargen analysiert wurden. Für die Gebläse wurde deren Kopplung an die Prozessphasen des Elektrolichtbogenofens berücksichtigt. Die Modellierung in PyCharm verwendet Module wie "SecondaryMetallurgy", welche Prozessphasen und VD/VOD-Chargen definieren und die Minimal- und Maximalwerte für die Prozessschritte enthalten. Durch die Verwendung von Zufallszahlen aus den hinterlegten Intervallen werden individuelle Zeitdauern für jeden Prozessschritt simuliert.

Die Validierung des Energiesystemmodells erfolgte durch den Vergleich der synthetischen Lastprofile mit realen Messdaten. Graphische Gegenüberstellungen und die Erstellung geordneter Dauerlinien der Wirkleistung für verschiedene Zeiträume dienten als Vergleichsbasis. Die synthetischen Lastprofile des Elektrolichtbogenofens (EAF) und des Pfannenofens zeigen eine gute Übereinstimmung mit den realen Lastprofilen, mit minimalen Abweichungen im Energieverbrauch. Auch die Modellierung der Gebläse zeigt eine gute Übereinstimmung, wobei Abweichungen aufgrund unterschiedlicher wöchentlicher Betriebsdauern auftreten. Für das Gesamtmodell wurde der Energieverbrauch über drei simulierte Wochen mit realen Messdaten des Jahres 2019 verglichen. Die Abweichungen im Energieverbrauch betrugen lediglich 0,4% für den EAF und 0,2% für den Pfannenofen. Der Vergleich der geordneten Dauerlinien bestätigt die Genauigkeit des Modells im Bereich der mittleren und niedrigen Leistungsbereiche, während im mittleren Leistungsbereich Optimierungspotential besteht. Die Auflösung der Daten (1 Minute im Modell, 15 Minuten in den realen Daten) wurde bei der Bewertung berücksichtigt.

Die Analyse beginnt mit einem Vergleich der realen und synthetischen Lastprofile des Elektrolichtbogenofens (EAF). Ein Beispiel-Lastprofil wird graphisch dargestellt, wobei die Wirkleistung, Blindleistung und Scheinleistung im Vergleich gezeigt werden. Die einzelnen Prozessschritte (Aufschmelzen der Schrottkörbe) sind sowohl im realen als auch im synthetischen Lastprofil erkennbar. Um eine umfassendere Bewertung zu ermöglichen, werden geordnete Dauerlinien der Wirkleistung für reale und synthetische Daten über einen Zeitraum von drei Wochen erstellt. Die synthetische Dauerlinie zeigt ein stufenförmiges Profil, was auf die Definition der Leistung in Megawatt-Schritten im Modell zurückzuführen ist. Trotzdem weist das Modell eine hohe Auflösung auf (einminütige Datenpunkte), was die Genauigkeit nicht beeinträchtigt. Der Vergleich der Energieverbräuche zeigt eine sehr geringe Abweichung von nur 0,4% zwischen dem Modell und den realen Messdaten über drei Wochen. Die Abweichung wird hauptsächlich durch die Anzahl der produzierten Chargen beeinflusst und weniger durch das Schrottgewicht, obwohl letzteres starke Schwankungen aufweist.

Die Analyse setzt sich mit dem Vergleich der realen und synthetischen Lastprofile des Pfannenofens fort. Auch hier werden geordnete Dauerlinien der Wirkleistung zur Evaluierung verwendet. Im Gegensatz zum Elektrolichtbogenofen findet sich keine klare Korrelation zwischen Prozessdauer und Energieverbrauch im Pfannenofen. Die Analyse von 20 Referenzchargen zeigt eine geringe Abweichung im Energieverbrauch (0,2%) zwischen realen und simulierten Daten. Jedoch können die Schwankungen des Energieverbrauchs zwischen einzelnen Chargen bis zu 100% betragen. Über längere Simulationszeiträume werden diese Schwankungen ausgeglichen. Die Charakteristik des synthetischen Lastprofils wird durch zwei Prozessphasen mit Energieeintrag über Graphitelektroden und einer dazwischenliegenden Vakuumbehandlung beschrieben. Der stochastische Prozess wird durch Markov-Ketten modelliert. Die Eingangsgrößen für das Modell sind Prozesszeiten, Nennleistung und Leistungsfaktor. Der Energieverbrauch im Modell befindet sich in einem realistischen Rahmen, obwohl er in der Realität von verschiedenen Faktoren abhängt (Prozesszeiten, Stahlmenge, Stahlsorte, Legierungszusätze).

Die Analyse der synthetischen Lastprofile umfasst auch die Gebläse (Primär-, Sekundär- und Entstaubungsgebläse). Die Lastprofile des Entstaubungsgebläses zeigen den Unterschied zwischen Teil- und Volllast deutlich. Die synthetischen Lastprofile weisen im Vergleich zu den realen Daten ein verrauschtes Signal auf, was jedoch aufgrund der einminütigen Auflösung des Modells zu erwarten ist. Die Leistungsniveaus stimmen jedoch gut überein. Für das Entstaubungsgebläse der Halle 9 wird eine Abweichung im Energieverbrauch von 6,7% festgestellt, die sich auf die ungenaue Kenntnis der tatsächlichen Betriebszeit zurückführen lässt. Bei Berücksichtigung von 95% der realen Betriebszeit sinkt die Abweichung auf 3,7%. Die Analyse des gesamten Energiesystemmodells vergleicht die Wirkleistung (Auflösung 15 Minuten) des synthetischen Modells mit realen Daten von 2019. Der Vergleich der geordneten Dauerlinien der Wirkleistung zeigt eine gute Übereinstimmung im Produktionsbereich, während außerhalb der Produktion ein gleichförmigerer Lastgang im synthetischen Profil zu beobachten ist.

Das entwickelte Energiesystemmodell zeigt eine hohe Genauigkeit bei der Abbildung des Energieverbrauchs im Stahlwerk. Die synthetischen Lastprofile stimmen gut mit den realen Daten überein, insbesondere für den Elektrolichtbogenofen (EAF) und den Pfannenofen. Geringe Abweichungen im Energieverbrauch (unter 1%) bestätigen die hohe Präzision des Modells. Die Analyse der Lastprofile zeigt eine gute Abbildung der einzelnen Prozessschritte und der typischen Leistungscharakteristik der Aggregate. Die Verwendung von geordneten Dauerlinien als Bewertungsmaßstab bestätigt die Güte der Modellsimulationen. Die Genauigkeit des Modells wird durch die Verwendung realer Häufigkeitsverteilungen für die stochastische Modellierung der Prozessparameter gewährleistet. Die geringen Abweichungen im Energieverbrauch deuten auf ein robustes und prädiktives Modell hin. Das Modell erlaubt die Analyse von Energieeffizienz und die Identifizierung von Optimierungspotentialen.

Trotz der hohen Genauigkeit des Modells gibt es Potenzial für Verbesserungen. Die Genauigkeit des Modells für den Elektrolichtbogenofen (EAF) könnte im mittleren Leistungsbereich durch Überarbeitung des Modells verbessert werden. Die Integration einer realen Verteilung anstelle des konstanten Wertes für den spezifischen Energieverbrauch beim Aufschmelzen von Schrott würde die Genauigkeit weiter erhöhen. Für das Modell des Pfannenofens bietet sich die Integration von Prozessdaten an, die Einfluss auf den Energieverbrauch haben (Stahlmenge, Stahlsorte, Legierungszusätze). Die Verwendung von Verteilungen für die unterschiedlichen Prozesszeiten anstelle von zufällig gezogenen Werten aus Intervallen würde die Realitätsnähe verbessern. Die Modelle der Gebläse sind bereits vollständig entwickelt; geringe Abweichungen sind auf unterschiedliche wöchentliche Betriebsdauern zurückzuführen und stellen kein Problem dar. Die Weiterentwicklung des Modells erlaubt eine detailliertere Analyse von Demand Side Management (DSM)-Strategien zur weiteren Steigerung der Energieeffizienz in der Stahlproduktion.