Energiewirtschaftliche Systemintegration eines CO2-armen Hüttenwerks unter aktiver Anwendung der Sektorenkopplung
Die Stahlindustrie kann technisch und wirtschaftlich derzeit nur mit der Wasserstoffdirektreduktion dekarbonisiert werden, wobei Kohle als Reduktionsmittel durch Wasserstoff substituiert wird. Dafür ersetzt die Direktreduktionsroute bestehend aus Elektrolyse, Direktreduktionsanlage und Elektrolichtbogenofen die heutige Hochofenroute bestehend aus Kokerei, Hochofen und Konverter. Die anschließende Sekundärmetallurgie sowie die Walzwerke und Oberflächenbehandlung bleiben erhalten, werden jedoch mit Energie aus erneuerbaren Quellen betrieben. Um die energiewirtschaftlichen Zusammenhänge des Hüttenwerks während der Transformation sowie die zukünftige Energiesystemintegration eines CO2-armen Hüttenwerks zu untersuchen, wird ein gemischt ganzzahliges lineares Optimierungsmodell des Hüttenwerks mit dem Ziel der Energiekostenminimierung aufgebaut. Das Optimierungsmodell wurde in Kooperation mit der Salzgitter Flachstahl GmbH im Rahmen des SACLOS®-Projekts erstellt und anhand historischer Daten validiert. Im heutigen kohlenstoffbasierten Hüttenwerk wird die eingesetzte Primärenergie bereits mit hoher Effizienz genutzt, indem die entstehenden Kuppelgase energetisch im Hüttenwerk weiterverwendet werden. Dabei sind jedoch die Energiebedarfe sowie die Erzeugung der Kuppelgase über die Produktionsprozesse derart gekoppelt, dass der Einsatz von Erdgas und Fremdstrom kaum variiert oder gesenkt werden kann. Durch die Transformation des Hüttenwerks sinkt der Primärenergieeinsatz um die Hälfte, indem Kohle mittelfristig durch Erdgas und langfristig durch Wasserstoff aus erneuerbarer elektrischer Energie ersetzt wird. Dabei bleibt das Hüttenwerk jedoch durch die gekoppelten Produktionsprozesse weitestgehend unflexibel. Demgegenüber steht die fluktuierende Erzeugung der erneuerbaren Energien, deren installierten Leistungen aufgrund der niedrigen Volllaststunden das Zwei- bis Sechsfache der Bezugsleistung des Hüttenwerks entsprechen müssen. Die aktive Anwendung der Sektorenkopplung ermöglicht eine leistungseffiziente Energiesystemintegration, indem erneuerbarer Strom und grüner Wasserstoff bedarfsgerecht erzeugt, genutzt oder gespeichert werden. Um dies zu untersuchen, wurde das Optimierungsmodell über die Bilanzgrenzen des Hüttenwerks um erneuerbare Energiequellen, Elektrolyse, Batterie- und Wasserstoffspeicher erweitert. So wurden verschiedene Integrationsszenarien anhand der spezifischen Energiegestehungskosten bezogen auf die Produktionsmenge Rohstahl verglichen. Überdimensionierte und teure Batteriespeicher können durch eine flexible Elektrolyse vermieden werden, sodass der kostengünstigere Wasserstoffspeicher als saisonaler Energiespeicher genutzt werden kann. Darüber hinaus kann kostengünstigere Photovoltaikenergie zur Wasserstofferzeugung genutzt werden und so die Energiegestehungskosten weiter gesenkt werden. Die Weiternutzung eines integrierten Wasserstoff-Kraftwerks minimiert den elektrischen Speicherbedarf weiter, indem Wasserstoff im Hüttenwerk rückverstromt werden kann. Durch die grundsätzliche Lagerfähigkeit des direkt reduzierten Eisens können die Produktionsprozesse der Direktreduktionsanlage und des Elektrolichtbogenofens entkoppelt und somit flexibilisiert werden. Das Lager kann so als saisonaler Energiespeicher genutzt werden und minimiert insbesondere den Wasserstoffspeicherbedarf. Dadurch produziert die Direktreduktionsanlage in den Sommermonaten mit günstigem Wasserstoff direkt aus Photovoltaikenergie, während der Elektrolichtbogenofen in den Wintermonaten Windenergie nutzt, um Stahl zu produzieren. So können die Energiegestehungskosten um bis zu 15 % gesenkt werden. Zusammenfassend kann durch die aktive Anwendung der Sektorenkopplung ein CO2-armes Hüttenwerk effizient und kostengünstig in das zukünftige Energiesystem integriert werden. Durch eine hohe Energieeffizienz und eine flexibilisierte Produktion kann das zukünftige Hüttenwerk die Transformation unterstützen.
The steel industry can currently only be decarbonized technically and economically through hydrogen direct reduction, where coal as a reducing agent is substituted with hydrogen. In this context, the direct reduction route, consisting of electrolysis, direct reduction plant, and electric arc furnace, replaces the current blast furnace route comprising coke oven, blast furnace, and converter. The subsequent secondary metallurgy, rolling mills, and surface treatment are retained but operated with energy from renewable sources. To examine the energy-economic interdependencies of the steelworks during its transformation and the future energy system integration of a low-CO2 steelworks, a mixed-integer linear optimization model of the steelworks is developed with the objective of minimizing energy costs. The optimization model was created in collaboration with Salzgitter Flachstahl GmbH within the framework of the SACLOS® project and validated using historical data. n the current carbon-based steelworks, primary energy is already utilized with high efficiency, recycling the generated blast furnace gases within the steelworks. However, energy demands and the production of blast furnace gases are tightly coupled through the production processes, limiting the variation or reduction of natural gas and external electricity usage. The transformation of the steelworks reduces the primary energy input by half, replacing coal with natural gas in the medium term and hydrogen from renewable electric energy in the long term. However, the steelworks remains largely inflexible due to the coupled production processes. This contrasts with the fluctuating generation of renewable energies, whose installed capacities, due to low full-load hours, must be two to six times the reference power of the steelworks. The active application of sector coupling enables a performance-efficient energy system integration by generating, utilizing, or storing renewable electricity and green hydrogen as needed. To investigate this, the optimization model is expanded beyond the boundaries of the steelworks to include renewable energy sources, electrolysis, battery, and hydrogen storage. Various integration scenarios are compared based on specific energy generation costs relative to the production quantity of raw steel. Oversized and expensive battery storage can be avoided through flexible electrolysis, allowing the more cost-effective hydrogen storage to function as a seasonal energy reservoir. Additionally, cost-effective photovoltaic energy can be used for hydrogen production, further reducing energy generation costs. The continued use of an integrated hydrogen power plant further minimizes the electrical storage requirement by allowing hydrogen to be reconverted into electricity within the steelworks. The inherent storability of directly reduced iron allows the decoupling and flexibilization of the processes of the direct reduction plant and the electric arc furnace. The storage can serve as a seasonal energy reservoir, particularly minimizing the need for hydrogen storage. Consequently, the direct reduction plant can produce with low-cost hydrogen directly from photovoltaic energy in the summer months, while the electric arc furnace utilizes wind energy in the winter months to produce steel. This approach can reduce energy generation costs by up to 15 %. In conclusion, through the active application of sector coupling, a low-CO2 steelworks can be efficiently and cost-effectively integrated into the future energy system. With high energy efficiency and a flexible production approach, the future steelworks can support the ongoing transformation.
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