ArcelorMittal Hamburg

Flexibilisierung von Lasten in der Stahl-Produktion

von Hanna Naoumis, 
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Herr Matthias Weng, Energiemanager und Projektingenieur in der Prozesstechnologie beim NEW 4.0 Partner ArcelorMittal Hamburg GmbH, erklärt in einem kurzen Interview wie die Flexibilisierung von Lasten funktioniert und stellt die zwei NEW 4.0-Projekte vor.

ArcelorMittal Hamburg

Welche Optionen hat ein energieintensives Unternehmen wie die ArcelorMittal Hamburg GmbH, um einen Beitrag zur Energiewende zu leisten?
Durch den weiter fortschreitenden Ausbau der erneuerbaren Energien im Zuge der Energiewende wird der Anteil des regenerativ erzeugten Stromes im Stromnetz weiter steigen. Insbesondere die Erzeugung aus Windkraft und Fotovoltaik zeichnet sich durch eine sehr fluktuierende Einspeisung aus. Für die Stabilisierung der Netzfrequenz wurde in der Vergangenheit im Normalfall auf der Erzeugungsseite bei den thermischen Großkraftwerken eingegriffen. Mit dem weiter sinkenden Anteil der thermischen Großkraftwerke an der Gesamtstromerzeugung wird zukünftig ein Eingriff auf der Bedarfsseite immer wichtiger. Neben dem Ausbau der Möglichkeiten zur Stromspeicherung ist ein wesentlicher Baustein die Flexibilisierung der Stromverbraucher. Hier sind insbesondere energieintensive Industriebetriebe – wie z. B. unser Elektrostahlwerk in Hamburg – relevant.
Aufgrund des hohen Verbrauchs von rund 2 TWh Gas und 830 GWh elektrischer Energie pro Jahr und der damit einhergehenden hohen Kosten ist das Werk schon seit Jahren bestrebt, den Energieverbrauch zu flexibilisieren und sich an die Marktgegebenheiten anzupassen. Aktuell trägt die ArcelorMittal Hamburg GmbH (AMHH) bereits durch verschiedene Maßnahmen (u. a. atypische Netznutzung, pos. Minutenreserve) zur Stabilisierung des elektrischen Energiesystems bei.

Im Interview

Profilbild zu: Dr. Matthias Weng

Dr. Matthias Weng arbeitet als Energiemanager und Projektingenieur in der Prozesstechnologie bei ArcelorMittal. Dort ist er unter anderen für die NEW 4.0-Projekte sowie die Errichtung von drei Windanlagen auf dem Werksgelände zuständig.

Auf welche Optionen der Flexibilisierung kann ArcelorMittal zurückgreifen?
ArcelorMittal Hamburg hat sich beim Einsatz von Flexibilisierungsoptionen in Stahlwerken eine Vorreiterrolle erarbeitet, sodass das Unternehmen bereits heute erfolgreich am Regelenergiemarkt teilnimmt. Für eine weitere Flexibilisierung wurden die innovativen Konzepte Timeshift und Power2Steel entwickelt, um zukünftig noch mehr auf die Bedingungen auf dem Strom- und Regelenergiemarkt reagieren zu können.

Eines der NEW 4.0 Projekte von ArcelorMittal ist der „Time Shift am E-Ofen“, in dem die Anpassung der Schmelzleistung am Elektrolichtbogenofen in Reaktion auf die Bedingungen auf dem Strommarkt erprobt und implementiert wird.
Das Einschmelzen im Elektrolichtbogenofen ist ein komplexer Prozess, der von einer Vielzahl von Kenngrößen abhängt. In der nachfolgenden Abbildung sind der Schmelzverlauf basierend auf dem jetzigen Standard-Arbeitspunkt sowie dem Timeshift-Konzept schematisch dargestellt. Grundidee ist, den Arbeitspunkt des Elektrolichtbogenofens zu variieren, sodass mit einer elektrischen Leistung von ± 10 MW, ausgehend vom jetzigen Standard-Arbeitspunkt, geschmolzen werden kann. Dieses soll den Spread zwischen Hochlast- und Niedriglastzeitfenstern an der Strombörse ausnutzen. Eine potenzielle Vermarktungsmöglichkeit wäre zum Beispiel, in Zeiten geringer Nachfrage stets mit einer um 10 MW erhöhten Leistung zu schmelzen („fast melting“ mit ca. 110%) und in Zeiten hoher Nachfrage entsprechend mit 10 MW weniger („slow melting“ mit ca. 90%).

Eine Variation des Arbeitspunktes soll anhand von externen Signalen (Strompreis, Erlös für Regelenergie, …) durchgeführt werden. Je nach zukünftigen Randbedingungen im Strommarkt lassen sich daraus wirtschaftliche Vorteile durch Reduktion der Kosten für Strom generieren. Es wurden bereits erste Versuche durchgeführt, in denen der Stahl mit einer um 10 MW erhöhten elektrischen Leistung eingeschmolzen wurde. Ein grundlegender Nachweis über die technische Machbarkeit wurde somit bereits erbracht.

Welche Auswirkungen hat diese Flexibilisierung auf die Produktion?
Es bestehen sicherlich Auswirkungen auf die Abläufe in der Produktion in geringerem Maße. Eine bedarfsweise Anpassung von Abläufen scheint dabei aber problemlos möglich, sodass in dieser Hinsicht keine Hemmnisse bestehen.

Eignet sich der Time-Shift, um negative Regelenergie auszugleichen?
Insgesamt könnten perspektivisch die spezifischen Kosten des Strombezugs gesenkt werden – unter aktuellen Randbedingungen ist dieser Effekt noch gering. Dennoch sind hierfür neue Arbeitspunkte zu ermitteln und zu optimieren, um die Effizienz des Elektrolichtbogenofens nicht zu vermindern. Perspektivisch wäre ein Einsatz dieser Lastflexibilisierung zur Bereitstellung von negativer Regelenergie technisch machbar und wünschenswert. Um eine Präqualifizierung zu ermöglichen, bedarf es jedoch regulatorischer Anpassungen.

Das zweite NEW-4.0-Projekt „Power2Steel“ befasst sich mit der Konzeptentwicklung und Bewertung einer induktiven Knüppelvorwärmung zur Substitution von Erdgas durch Strom in Zeiten von hoher Erzeugungsleistung aus Erneuerbaren Energien. Wie funktioniert in diesem Projekt die Flexibilisierung von Strom?
Die induktive Knüppelvorwärmung gewinnt ihren Innovationscharakter aus dem neuartigen Einsatz dieser Technologie. Aktuell werden die Knüppel vor dem Walzprozess mittels eines erdgasbefeuerten Wiedererwärmungsofens mit einer mittleren Feuerungswärmeleistung von rund 35 MW von Umgebungstemperatur auf ca. 1.150°C aufgeheizt. In diesem Prozessschritt könnte als Alternative ein Teil der Vorwärmung der Knüppel mittels elektrischer Energie durchgeführt werden. Auf diese Weise könnte zu einem gewissen Teil Strom anstelle von Erdgas eingesetzt werden. Das Prinzip Power2Steel funktioniert dadurch ähnlich wie Power2Gas als „virtueller Energiespeicher“, da dem Erdgasnetz weniger Erdgas entnommen wird. Das nicht entnommene Erdgas verbleibt als Speichermedium im Erdgassystem.

Generell wird die induktive Knüppelerwärmung bereits in verschiedenen Stahlwerken (Schmiedewerke oder Stahlwerke mit Heißeinsatz) eingesetzt und kann demzufolge als Stand der Technik bezeichnet werden. In allen bekannten Fällen in der Stahlindustrie dient diese allerdings der Temperaturhomogenisierung oder der geringfügigen Wiedererwärmung der Knüppel, oftmals bei Heißeinsatz. Die induktive Knüppelvorwärmung ist also Teil des Prozesses und kann nicht flexibel betrieben werden.

Inwieweit besitzt die bedarfsabhängige Verlagerung der Knüppelvorwärmung von Erdgas zu Strom das Potenzial für Systemdienstleistungen?
Unseres Wissens nach wird die induktive Knüppelvorwärmung bisher nirgendwo vor einem konventionellen Wiedererwärmungsofen eingesetzt, wie es in untenstehender Abbildung zu erkennen ist. Diese Anordnung ist nur für eine Flexibilisierung des elektrischen Energiebedarfs sinnvoll, da ein gasbefeuerter Ofen aufgrund seiner thermischen Trägheit problemlos auf unterschiedliche Eintrittstemperaturen reagieren kann. Um dieses hochinnovative Konzept zu entwickeln, sind umfangreiche Untersuchungen, Berechnungen und Gespräche mit Herstellern erforderlich. Sollte sich am Ende des Projektes zeigen, dass die induktive Knüppelvorwärmung ein wirtschaftlich sinnvolles Konzept ist, könnte diese vor dem konventionellen Wiedererwärmungsofen von ArcelorMittal Hamburg installiert werden. Im Folgenden könnten dann Erlöse durch die Vermarktung der flexiblen Leistung, bspw. am Regelenergiemarkt, generiert werden.

Wie sehen Sie die Chancen der Übertragbarkeit der Projekte auf andere Branchen – auch im Sinne der Wirtschaftlichkeit?
Das Konzept Timeshift kann prinzipiell an allen Elektrolichtbogenöfen in der Stahlindustrie gehoben werden und bietet dadurch ein hohes Maß an Übertragbarkeit und damit volkswirtschaftliches Potenzial zur Stabilisierung des Stromsystems. Für beide Konzepte - also sowohl Timeshift als auch Power2Steel - gilt, dass diese sich auf andere Stahlhersteller und möglicherweise sogar auf andere Teile der metallerzeugenden und –verarbeitenden Industrie übertragen lassen. Die Wirtschaftlichkeit z. B. für Power2Steel ist im Vergleich zu Power2Gas deutlich besser, jedoch handelt es sich bislang nicht um ein rentables Konzept, sodass es derzeit für eine Umsetzung einer Anschubfinanzierung bedürfte.

Über die Autorin

Profilbild zu: Hanna Naoumis

Seit Anfang 2017 arbeite ich als B2B-Marketing Managerin von NEW 4.0 im Cluster EEHH. Ob auf dieser Webseite, bei Twitter, via Xing, auf Fachveranstaltungen und Messen - jeden Tag kann ich über das reden und schreiben, was mich am meisten interessiert: Die Entwicklung von innovativen Lösungen zum Voranbringen der Energiewende, des Klimaschutzes und damit einer nachhaltigen Entwicklung unserer Gesellschaft.

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