Projekt SMARTER

Steam and gas networks revamping for the steelworks of the future

 

Projektbeschreibung

zur Unterstützung der Modernisierung von Gas- und Dampfnetzen zur Verbesserung der Energieeffizienz und zur Senkung von CO2-Emissionen sowie Energie- und Verwaltungskosten. 
Der anhaltende Druck in Richtung Energieeffizienz erfordert, dass Stahlunternehmen Gas- und Dampfnetze in integrierten Stahlwerken durch massive Änderungen weiterentwickeln, wie z. B. neue Verbindungsstellen, neue Speichermöglichkeiten, zusätzliche Energie- und Gasquellen. Erwartet wird auch eine dynamischere Interaktion mit dem Energiemarkt und eine verstärkte Nutzung erneuerbarer Energieressourcen, was Schwankungen bei den Energiekosten und eine erhöhte Nachfrage nach Flexibilität bei der Verteilung der Energieträger und nach einer schnellen Anpassung an Veränderungen mit sich bringt. Darüber hinaus wird der europäische Stahlsektor einen Übergang zu kohlenstoffarmen Prozessen und Technologien vollziehen, die durch eine neuartige und in vielerlei Hinsicht noch nicht vollständig erforschte Koexistenz traditioneller und innovativer Prozesse und Produktionseinheiten gekennzeichnet sind, wie z. B. die Direct Reduced Iron (DRI)/Electric Arc Furnace (EAF)-Route, die die Nutzung von Erdgas und Wasserstoff und/oder Hilfsprozesse zur Ausnutzung des Energie- und Chemikaliengehalts von Nebenproduktgasen einschließt. Dieser allmähliche Übergang zu kohlenstoffarmen Prozessen und Technologie wird sich auf die Gas- und Dampfnetze auswirken und eine umfangreiche Umgestaltung dieser Netze erfordern, die eine Neuoptimierung des gesamten Netzes und die Neukonfiguration der Aggregate zur vollen Nutzung der Vorteile der durchgeführten Änderungen voraussetzt.
 

 

Detailinformationen

Das System, das im Rahmen dieses Projekts entwickelt wird, stellt sich der oben genannten Herausforderung und stützt sich auf rechnerisch effiziente Prozessmodelle, die datengesteuerte Ansätze wie statistische, auf maschinellem Lernen (ML) basierende und hybride Ansätze nutzen, die eine Vorhersage der Gas- und Dampfproduktion und des Bedarfs in Bezug auf die verschiedenen in den Netzen enthaltenen Aggregate ermöglichen und sowohl Standard- als auch innovativere Produktionsrouten charakterisieren. Darüber hinaus werden physikalisch informierte Algorithmen zur Modellierung der Netztopologie eingesetzt. Die vorgeschlagene Arbeit wird daher als inkrementelle Verbesserung für die relevante Aggregatmodellierung und für die Netzmodellierung betrachtet, da ein Ansatz dieses Ausmaßes in früheren Projekten bisher nicht verfolgt wurde.

Die Abbildung unterhalb zeigt den Ansatz von SMARTER. In Stahlwerken werden verschiedene Arten von Energie umgewandelt, gespeichert, übertragen und verwendet, wobei Strom, Ab- und Nebenproduktgase und Dampf zu den wichtigsten gehören. Um die Ziele des Green Deal zu erreichen, verbessern die Stahlproduzenten ständig ihre Netze und die damit verbundenen Managementpraktiken, um die Verschwendung von Ressourcen zu verringern und die Gesamteffizienz zu steigern. Dies ist eine gewaltige Umgestaltungsaufgabe, für die sie die richtigen Werkzeuge benötigen, um die optimalen Netz- und Aggregatkonfigurationen zu finden. Eine solche Umgestaltung, z. B. neue Knotenpunkte, neue Speichermöglichkeiten, zusätzliche Quellen und innovative Prozesse, erfordert eine Neuoptimierung des gesamten Netzes und die Neukonfiguration der Aggregate, um die Auswirkungen dieser Veränderungen voll auszuschöpfen.

Was die Zukunft der Stahlerzeugung betrifft, so ist zu bedenken, dass der Übergang zu kohlenstoffarmen Stahlerzeugungsverfahren nicht in einem großen Schritt erfolgen wird. Es wird davon ausgegangen, dass diese Prozesse schrittweise in die bestehenden Anlagen integriert werden. Daher werden die Gas- und Dampfnetze durch veränderte Prozessbedingungen, Gaszusammensetzungen und -mengen usw. wesentlich beeinflusst werden. Dies muss bei einer Gesamtbewertung der Vorteile und Auswirkungen der Einführung innovativer Prozesseinheiten berücksichtigt werden.

Technisch gesehen gibt es drei wesentliche Elemente, die bei der Lösung berücksichtigt werden müssen:

  1. Es werden Modelle für alle relevanten Einheiten / Anlagenteile benötigt, um die Nachfrage und Produktion von Verbrauchern und Produzenten zu prognostizieren
  2. Modelle für die Netze, deren Schalt-/Verbindungskonfigurationen und Rohrleitungen
  3. Eine rigorose Optimierung/Steuerung, die alle diese Modelle verwendet und eine Lösung für die Flusskonfiguration berechnet.

Außerdem sollte die Berechnung der optimalen Lösung schnell genug sein, um ihre Umsetzung zu ermöglichen. Daher sollten geeignete Ansätze zur Beschleunigung des Optimierungsverfahrens untersucht werden, und zwar hauptsächlich in zwei (möglicherweise komplementären und sich nicht gegenseitig ausschließenden) Richtungen:

  1. Erreichen eines Kompromisses zwischen Präzision, Genauigkeit und Zeitaufwand
  2. Verteilung der Rechenarbeit

Rahmenbedingungen

 

Projektlaufzeit:

01.07.2021 bis 31.12.2024 (42 Monate)

Förderprogramm:

SMARTER wird aus Mitteln des Research Fund for Coal and Steel (Fördervertrag Nr. 101034060) gefördert.

Projektpartner:

  • Scuola Superiore Sant'Anna (Italien, Koordinator)
  • ArcelorMittal Bremen GmbH (Deutschland)
  • VDEh Betriebsforschungsinstitut GmbH (Deutschland)
  • INGAVER Innovative Gasverwertungs-GmbH (Deutschland)
  • voestalpine Stahl GmbH
  • K1-MET GmbH