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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine hüttentechnische Produktionsanlage, insbesondere ein integriertes Hüttenwerk mit integriertem Stahlwerk, wobei Verbraucher vorhanden sind für elektrische Energie und/ oder für Wasserstoff.
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Die Erfindung betriff darüber hinaus ein Verfahren zum Betreiben einer solchen hüttentechnischen Produktionsanlage.
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Die bekannten hüttentechnischen Produktionsanlagen kaufen typischerweise ihre benötigte elektrische Energie auf dem Markt ein und erhalten diese über externe Stromversorgungsnetzwerke bereitgestellt. Dabei beruht die Erzeugung der elektrischen Energie traditionell auf fossilen Brennstoffen oder sogenannter Kernenergie. Abgesehen davon, dass die Brennstoffe allmählich zur Neige gehen, ist der größte Nachteil der fossilen Brennstoffe die hohe Umweltbelastung. Bei einer Verbrennungsreaktion entstehen Stäube und CO2. Das Letztere für die globale Erwärmung verantwortlich.
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Ein weiterer Nachteil der genannten und traditionell verwendeten Energieformen ist ihre nur begrenzt mögliche Speicherfähigkeit und ihre nur mit hohem Aufwand Mögliche Rückumwandlung in die gleiche Primärenergiequelle zum Aufbau eines Energiespeichers.
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Um die genannten Nachteile zu umgehen, ist im Stand der Technik, zum Beispiel aus der Europäischen Patentschrift
EP 2 895 631 B1 ein Verfahren zum Erzeugen von Stahl bekannt, bei dem Eisenerz mit Hilfe von Wasserstoff reduziert und das so gewonnene Zwischenprodukt aus reduziertem Eisenerz und gegebenenfalls Begleitstoffen metallurgisch weiterverarbeitet wird. Der Wasserstoff wird durch Elektrolyse von Wasser auf dem Werksgelände einer hüttentechnischen Anlage produziert, wobei die zur Elektrolyse notwendige elektrische Energie regenerative Energie ist, welche aus Wasserkraft und/oder Windkraft und/oder Photovoltaik oder anderen regenerativen Energieformen stammt. Der Wasserstoff und/oder das Zwischenprodukt werden unabhängig von der momentanen Nachfrage immer dann erzeugt, wenn ausreichend regenerativ erzeugte Energie vorhanden ist.
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Weiterhin sind im Stand der Technik Brennstoffzellen bekannt zum Erzeugen von elektrischem Strom aus einer chemischen Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff. Neben dem Strom entstehen dabei nur noch Wärme und Wasser als Endprodukte. Die chemische Reaktion innerhalb der Brennstoffzelle entspricht dabei im Prinzip der sogenannten Knallgasreaktion, bei der ein Gemisch aus Wasserstoff und Sauerstoff zur Explosion gebracht wird. In einer Brennstoffzelle verpufft die freiwerdende Energie allerdings nicht, sondern wird in elektrische Energie umgewandelt. Brennstoffzellen erzeugen am Ort ihrer Nutzung keine schädlichen Abgase.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine bekannte hüttentechnische Produktionsanlage sowie ein Verfahren zu deren Betrieb, bei denen bereits fossile Brennstoffe durch umweltfreundlich mit Hilfe einer Elektrolyseeinrichtung erzeugten Wasserstoff ersetzt werden, dahingehend weiterzubilden, dass auch die elektrische Energie für verschiedene Verbraucher innerhalb der hüttentechnischen Produktionsanlage umweltschonend bereitgestellt wird.
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Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des neuen Patentanspruchs 1 gelöst. Demnach ist die erfindungsgemäße hüttentechnische Produktionsanlage dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei einem der Verbraucher von Wasserstoff um eine Brennstoffzelle handelt zum Erzeugen von Strom aus dem in dem Wasserstoffspeicher gespeicherten Wasserstoff.
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Der Begriff „hüttentechnische Produktionsanlage“ meint ein Hüttenwerk, vorzugsweise ein integriertes Hüttenwerk, weiter vorzugsweise mit einer integrierten Rohstahlerzeugung und einem integrierten Stahlwerk.
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Der Begriff „Wasserstoff“ schließt auch Wasserstoffgemische mit ein.
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Der Begriff „regenerative Energiequelle“ schließt alle Arten zur Gewinnung von Strom aus regenerativer Energie mit ein, wie z.B. eine Windkraftanlage, ein Wasserkraftwerk, ein Solarkraftwerk etc.
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Die beanspruchte hüttentechnische Produktionsanlage stellt eine gekoppelte Infrastruktur der Energiequellen „Wasserstoff“ und „elektrische Energie“ bereit. Mit dem erfindungsgemäßen Vorsehen von sowohl einer Brennstoffzelle und einer Elektrolyseeinrichtung, die über einen Wasserstofftank miteinander gekoppelt sind, sind beide Energieformen Wasserstoff und Strom je nach Bedarf ineinander umwandelbar und können so einfach und schnell bereitgestellt werden.
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Der Aspekt „Wasserstoff” innerhalb der erfindungsgemäßen hüttentechnischen Produktionsanlage umfasst die Erzeugung des Wasserstoffs mit Hilfe von vorzugsweise regenerativ bereitgestellter elektrischer Energie durch Elektrolyse von Wasser, die Speicherung des so erzeugten oder des von externen Anbietern per LKW oder Bahn angelieferten Wasserstoffs in dem Wasserstoffspeicher, die optionale Rückgewinnung von elektrischer Energie aus der Reaktionen des Wasserstoffs innerhalb der Brennstoffzelle und die Verteilung des Wasserstoffs über das auf dem Werksgelände befindliche Rohrleitungsnetz an die Brennstoffzelle und/oder andere direkte Verbraucher für den Wasserstoff innerhalb der hütten-technischen Produktionsanlage. Insofern ist der Wasserstoffspeicher das zentrale Energiereservoir für die erfindungsgemäße hüttentechnische Produktionsanlage.
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Darüber hinaus betrifft der Aspekt „elektrische Energie“ innerhalb der hüttentechnischen Produktionsanlage deren Bereitstellung mit Hilfe der Brennstoffzelle aus dem gespeicherten Wasserstoff sowie die Nutzung der so gewonnenen elektrischen Energie durch elektrische Verbraucher insbesondere innerhalb der hüttentechnischen Produktionsanlage.
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Zusammenfassend ist somit festzustellen, dass sich Wasserstoff sehr gut eignet als alternative Energiequelle zum Ersatz von fossilen Brennstoffen. Darüber hinaus ist Wasserstoff in Kombination mit der elektrischen Energie eine ideale Grundlage für ein neuartiges Konzept der Energieverwaltung, -erzeugung und -verteilung.
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Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel ist es vorteilhaft, wenn die hüttentechnische Produktionsanlage über ein auf dem Werksgelände befindliches Stromnetz verfügt und die Brennstoffzelle ausgangsseitig daran ankoppelbar ist zum Einspeisen des von ihr bereitgestellten Stromes vorzugsweise dann, wenn der Bedarf an elektrischer Energie in der Produktionsanlage besonders hoch ist. Der externe Energieversorger des Hüttenwerks muss dann z.B. auf Lastspitzen, die beispielsweise beim Einschalten eines Elektrolichtbogenofens der hüttentechnischen Produktionsanlage entstehen, nicht mehr reagieren, weil die Lastspitzen dann durch die von der Brennstoffzelle bereitgestellten elektrischen Energie abgedeckt werden können.
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Mit dem Wasserstoffspeicher und der nachgeschalteten Brennstoffzelle verfügt die hüttentechnische Produktionsanlage vorteilhafterweise über eine eigene elektrische Energiequelle, auf die sie jederzeit je nach Bedarf zugreifen kann, ohne die Spitzenlastzeiten des externen Energieversorgers beachten zu müssen. Daneben können auch noch andere, vorzugsweise regenerative Energiequellen auf dem Werksgelände vorhanden sein, die ebenfalls an das werkseigene Stromnetz anschließbar sind, um dort Strom einzuspeisen.
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Die Anbindung von sowohl der Brennstoffzelle wie auch der anderen regenerativen Energiequellen an das auf dem Werksgelände befindliche Stromnetz erfolgt vorteilhafterweise unter Zwischenschaltung einer Netzsynchronisierungseinrichtung. Diese koordiniert die Einspeisung in das Stromnetz je nach Bedarf zu bestimmten Zeiten und Situationen.
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Von einem intelligenten Energiemanagement, das sowohl den Wasserstoff wie auch die elektrische Energie mitberücksichtigt, kann sowohl der Betreiber der hüttentechnischen Produktionsanlage wie auch der Energieversorger der Produktionsanlage profitieren.
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Vorteilhafterweise verfügt die Produktionsanlage über ein auf dem Werksgelände befindliches Wärmeleitungsnetz zur gezielten Verteilung der durch den Betrieb der Brennstoffzelle entstehenden Wärme an vorzugsweise werksinterne WärmeVerbraucher, wie hüttentechnische Einzelprozesse oder hüttentechnische Einrichtungen. Auch kann der Anschluss des Wärmeleitungsnetzes an ein externes Fernwärmenetz sinnvoll sein.
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Die oben genannte Aufgabe der Erfindung wird weiterhin durch das erfindungsgemäße Verfahren gemäß Anspruch 10 gelöst. Die Vorteile dieses Verfahrens entsprechen den oben mit Bezug auf die beanspruchte hüttentechnische Produktionsanlage genannten Vorteilen.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen hüttentechnischen Produktionsanlage und des Verfahrens zu deren Betrieb sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Der Beschreibung ist eine einzige Figur beigefügt, die ein Beispiel für die hüttentechnische Produktionsanlage zeigt. Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figur detailliert beschrieben.
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Die Figur zeigt den Werksbereich einer erfindungsgemäßen hüttentechnischen Produktionsanlage 100. Die Produktionsanlage dient der Erzeugung und/oder Verarbeitung von Stahl. Dazu sind verschiedene Anlagen innerhalb der Produktionsanlage 100 vorgesehen, wie beispielsweise ein Hochofen 135 zur Produktion von Roheisen, eine Anlage 134 zu Direktreduktion, eine Anlage 136 zur Stahlerzeugung, z. B. Elektrolichtbogenöfen, Konverter oder Pfannenofen, eine Gieß-, Walz- und/oder Schmiedeanlage 138 und/oder eine Anlage 139 zur Behandlung, insbesondere zur Veredelung von erzeugtem Stahlband.
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Neben diesen Anlagen umfasst die hüttentechnische Produktionsanlage 100 eine Elektrolyseeinrichtung 110 zum Erzeugen von Wasserstoff aus zugeführtem Wasser und Strom, einen Wasserstoffspeicher 120 zum Speichern von zumindest dem von der Elektrolyseeinrichtung erzeugten Wasserstoff und ein werkeigenes Rohrleitungsnetz 180 zum Leiten des Wasserstoffs aus dem Wasserstoffspeicher 120 an verschiedene Verbraucher für den Wasserstoff.
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Als ein solcher Verbraucher für den Wasserstoff ist erfindungsgemäß insbesondere eine Brennstoffzelle 132 vorgesehen zum Erzeugen von Strom aus dem in dem Wasserstoffspeicher 120 gespeicherten Wasserstoff. Der so erzeugte Strom wird vorzugsweise unter Zwischenschaltung eines Wechselrichters 150 und eventuell eines Transformators in ein auf dem Werksgelände befindliches Stromnetz 140 eingespeist. Sollten Überkapazitäten an Strom vorhanden sein, so kann der von der Brennstoffzelle erzeugte Strom alternativ auch, vorzugsweise unter Zwischenschaltung einer Netzsynchronisierungseinrichtung, über das auf dem Werksgelände befindliche Stromnetz 140 in ein externes Stromversorgungsnetz 160 eingespeist werden.
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Vorteilhafterweise wird die von der Brennstoffzelle 132 erzeugte Wärme innerhalb der hüttentechnischen Produktionsanlage 100 genutzt, indem sie beispielsweise über ein auf dem Werksgelände befindliches Wärmeleitungsnetz 190 an Wärmeabnehmer innerhalb der hüttentechnischen Produktionsanlage, wie z. B. zu beheizende Gebäude oder Brauchwassererhitzer geleitet wird. Alternativ oder zusätzlich kann die erzeugte Wärme auch an ein externes Wärmenetz abgegeben werden.
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Die besagte Elektrolyseeinrichtung 110 ist eingangsseitig vorzugsweise unter Zwischenschaltung eines Gleichrichters 152 und falls erforderlich auch unter Zwischenschaltung eines Transformators an das auf dem Werksgelände befindliche Stromnetz 140 und/oder an das externe Stromversorgungsnetz 160 anschließbar, um mit Strom versorgt zu werden. Der auf dem Werksgelände befindliche Wasserstoffspeicher 120 wird nicht nur von der Elektrolyseeinrichtung 110 mit Wasserstoff gespeist, sondern er kann auch typischerweise über einen Einfüllstutzen mit Ventil mittels einer Pipeline mit Wasserstoff befüllt werden. Alternativ oder zusätzlich kann der Wasserstoff auch von LKWs oder per Bahn zur Speicherung in dem Wasserstoffspeicher 120 bereitgestellt werden.
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Der Wasserstoffspeicher 120 dient zur Versorgung von verschiedenen Wasserstoff-Verbrauchern 130. Dazu sind die Wasserstoffverbraucher 130 über ein auf dem Werksgelände befindliches Rohrleitungsnetz 180 an den Wasserstoffspeicher 120 angeschlossen. Bei den Verbrauchern für den Wasserstoff handelt es sich neben der Brennstoffzelle 132 insbesondere um die oben genannten Anlagen 134 - 139 sowie beispielsweise auch um eine Wasserstoff-Tankstelle 133 für Kraftfahrzeuge. Bei den Verbrauchern bzw. Anlagen 130 handelt es sich nicht nur um Wasserstoff-Verbraucher, sondern sie benötigen gleichzeitig auch elektrische Energie. Zu diesem Zweck sind sie auch an das auf dem Werksgelände befindliche Stromnetz 140 anschaltbar.
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Für den Betrieb der beschriebenen hüttentechnischen Produktionsanlage 100 umfasst diese weiterhin ein Energiemanagementsystem 200. Allgemein besteht die Aufgabe des Energiemanagementsystems 200 darin, die Bedarfsmengen der Verbraucher 130 an Wasserstoff und/oder Strom zu ermitteln und in Abhängigkeit von diesen Bedarfsmengen die notwendige Menge an Wasserstoff und/oder Strom bereitzustellen. Die Bereitstellung erfolgt dann durch geeignete Aktivierung oder Abschaltung der Brennstoffzelle 132 und/oder der Elektrolyseeinrichtung 110 und/oder durch Öffnen oder Absperren des Wasserstoffspeichers 120.
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Konkret wird beispielsweise Wasserstoff aus dem Wasserstofftank 120 bereitgestellt, wenn die Brennstoffzelle 132 Wasserstoff benötigt zum Erzeugen von Strom oder wenn mindestens eine der anderen Wasserstoffverbraucher 130 in der hüttentechnischen Produktionsanlage Wasserstoff benötigen.
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Die Elektrolyseeinrichtung 110 wird vorzugsweise dann von dem Energiemanagementsystem 200 aktiviert, wenn Strom zum Betreiben der Elektrolyseeinrichtung 110 gerade günstig am Markt eingekauft werden kann oder wenn von den vorzugsweise auf dem Werksgelände befindlichen regenerativen Energiequellen mehr Strom bereitgestellt werden kann, als aktuell von den Verbrauchern in der hüttentechnischen Produktionsanlage abgerufen wird. Wenn dann der so erzeugte Wasserstoff aktuell nicht gebraucht wird, wird er vorzugsweise in dem Wasserstoffspeicher 120 zwischengelagert.
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Schließlich wird die Brennstoffzelle 132 von dem Energiemanagementsystem 200 vorzugsweise dann zum Erzeugen von Strom aktiviert, wenn der in dem auf dem Werksgelände befindlichen Stromnetz 140 verfügbare Strom aktuell nicht ausreicht, um alle Stromverbraucher ausreichend zu versorgen, oder wenn sich die hüttentechnische Produktionsanlage 100 in einem Notbetrieb befindet. Auch bei einem Ausfall des externen Stromversorgungsnetzes 160 kann die Brennstoffzelle 132 hilfsweise aktiviert werden, um einen Notstrombetrieb aufrechtzuerhalten.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Hüttentechnische Produktionsanlage
- 110
- Elektrolyseeinrichtung
- 120
- Wasserstoffspeicher
- 130
- Verbraucher für Wasserstoff allgemein
- 132
- Brennstoffzelle
- 133
- Wasserstofftankstelle für Kraftfahrzeuge
- 134
- Anlage zur Direktreduktion
- 135
- Hochofen zur Produktion von Roheisen
- 136
- Anlage zur Stahlerzeugung
- 138
- Gieß-, Walz- und/oder Schmiedeanlage
- 139
- Anlage zur Behandlung von Stahlband
- 140
- Stromnetz
- 150
- Wechselrichter
- 152
- Gleichrichter
- 160
- externes Stromversorgungsnetz
- 170
- Netzsynchronisierungseinrichtung
- 180
- auf dem Werksgelände befindliches Rohrleitungsnetz für Wasserstoff
- 190
- werkeigenes Wärmeleitungsnetzt
- 200
- Energiemanagementsystem
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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