WO2013004689A2

WO2013004689A2 - Aluminiumelektrolyseanlage für einen netzgeführten betrieb

Info

Publication number: WO2013004689A2
Application number: PCT/EP2012/062899
Authority: WO
Inventors: David EISMA; Heribert Hauck; Martin IFFERT; Jörg PREPENEIT
Original assignee: Trimet Aluminium SE
Current assignee: Trimet Aluminium SE
Priority date: 2011-07-05
Filing date: 2012-07-03
Publication date: 2013-01-10
Anticipated expiration: 2014-01-05
Also published as: WO2013004689A3; DE102011078656A1

Abstract

Die vorliegende Anmeldung betrifft eine Aluminiumelektrolyseanlage mit zumindest einer Schmelzflusselektrolysezelle (30) zur Herstellung von Aluminium, die eine Zellenwand (32), welche die Schmelzflusselektrolysezelle seitlich zumindest abschnittsweise umschließt, und zumindest einen Wärmetauscher (39) umfasst, der von außen an der Zellenwand (32) angeordnet ist. Die Aluminiumelektrolyseanlage ist dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (39) derart ausgestaltet und positioniert ist, das steuerbare Wärmemenge durch ihn von der Zellenwand (32) abführbar und zur Zellenwand (32) zuführbar ist.

Description

Aluminiumelektrolyseanlage für einen netzgeführten Betrieb

TECHNISCHES GEBIET

Die Erfindung betrifft eine Aluminiumelektrolyseanlage und ein Verfahren zum Betreiben einer Industrieanlage, nämlich einer Aluminiumelektrolyseanlage. Die Industrieanlage wird für ihren Betrieb mit elektrischer Energie aus einem Stromnetz versorgt, wobei zumindest eine volatile Energiequelle elektrische Leistung in das Stromnetz einspeist und wobei die Industrieanlage dazu ausgestaltet ist, während ihres Betriebs eine steuerbare Menge an elektrischer Leistung aufzunehmen.

Ferner betrifft die Erfindung ein Stromnetz und eine Verwendung einer Aluminiumelektrolyseanlage als virtueller elektrischer Speicher.

STAND DER TECHNIK

Die Industrieanlagen, die in heutigen Industrienationen

betrieben werden, setzen zumeist selbstverständlich eine

kontinuierliche und zuverlässige Energieversorgung durch

elektrischen Strom voraus, der bisher überwiegend durch den Betrieb fossiler, konventioneller Kraftwerke oder von

Kernkraftwerken erzeugt wird. Vor dem Hintergrund dieser

zuverlässigen Infrastruktur, die einen kontinuierlichen Betrieb auch von energieintensiven Industrieanlagen, wie beispielsweise von Aluminiumelektrolyseanlagen oder Chemieanlagen, erlaubt haben, wurden diese Industrieanlagen mit dem Ziel einer

maximalen Effizienz betrieben.

Beim Beispiel der Aluminiumelektrolyseanlagen bedeutet dies, dass sich die Menge der (dann möglichst durchgehend) aus dem Stromnetz aufgenommenen elektrischen Leistung vor allem daran orientiert, welche Verfahrensparameter, insbesondere unter

Berücksichtigung der Anzahl und Größe der Elektrolysezellen und der für den Prozess gewünschten Temperatur, für einen effizienten Herstellungsprozess von Aluminium ideal sind.

Aufgrund des sehr großen elektrischen Leistungsbedarfs einer solchen Aluminiumelektrolyseanlage ist es für den Betrieb einer solchen Anlage bisher notwendig, auf eine zuverlässige

Stromquelle zur kontinuierlichen Versorgung zurückgreifen zu können .

Aufgrund der wahrscheinlichen Auswirkungen des Betriebs

konventioneller Kraftwerke auf das Klima der Erde, die

schwindenden Reserven fossiler Energieträger und der bekannten Risiken der Kerntechnik wird in einigen Industrienationen ein energiepolitischer Wandel hin zu regenerativen Energien

durchgesetzt, der eine kontinuierliche zuverlässige

Energieversorgung insbesondere energieintensiver Industriezweige nicht ohne weiteres sicherstellen kann, da besonders

regenerative Energiequellen wie Windkraft und Solaranlagen völlig abhängig von ihren Energiequellen Wind und Sonne sind. Je größer der Anteil derartiger volatiler Energiequellen an der gesamten Energieeinspeisung eines Stromnetzes wird, desto schwieriger wird es, eine kontinuierlich verfügbare und

ausreichend hohe elektrische Leistungsmenge jederzeit abrufen zu können, wie dies bislang durch die herkömmlichen

Grundlastkraftwerke sichergestellt wird.

Eine Abschwächung des Problems einer nicht zuverlässigen

Energieversorgung, das durch den immer weiter wachsenden Anteil volatiler Energiequellen entsteht, kann in ausreichend

dimensionierten Energiespeichern liegen, die Schwankungen der volatilen Energiequellen ausgleichen können. Hierfür werden bisher häufig Pumpspeicher, manchmal auch Druckluftspeicher oder WasserstoffSpeicher verwendet, die kurzfristige

Einspeisungslücken füllen oder einen kurzfristig erhöhten elektrischen Leistungsbedarf decken können. Solche Speicher können jedoch nur mit verhältnismäßig schlechten Wirkungsgraden und zu sehr hohen Kosten zur Verfügung gestellt werden. Dies führt dazu, dass einerseits konventionelle Kraftwerke als Notreserve im Stromnetz vorgehalten werden müssen, um beim

Ausbleiben der regenerativen Energieeinspeisung die Energielücke füllen zu können. Andererseits führt das Fehlen ausreichend dimensionierter Speicher und die Tatsache, dass stets genauso viel Leistung aus einem Stromnetz aufgenommen werden muss, wie in es eingespeist wird, dazu, dass in Zeiten, in denen große Mengen elektrischer Leistung durch regenerative Energiequellen zur Verfügung stünden, diese nicht vollständig in das Stromnetz eingespeist werden können, um das Netz nicht zu überlasten und dadurch instabil werden oder zusammenbrechen zu lassen, weil die Energie weder gespeichert noch anderweitig aufgenommen werden kann .

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Netzstabilität eines Stromnetzes sicherzustellen, in das elektrische Leistung durch volatile Energiequellen eingespeist wird, und dabei einen möglichst großen Anteil der volatil eingespeisten Energie effizient zu nutzen.

Die Aufgabe wird durch eine Aluminiumelektrolyseanlage nach Anspruch 1, das Verfahren zum Betreiben einer Industrieanlage nach Anspruch 7, die Verwendung einer Industrieanlage nach Anspruch 10 und ein Stromnetz nach Anspruch 12 gelöst.

In einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben einer

Industrieanlage, nämlich einer Aluminiumelektrolyseanlage, wird die Industrieanlage für ihren Betrieb mit elektrischer Energie aus einem Stromnetz versorgt, wobei zumindest eine volatile Energiequelle elektrische Leistung in das Stromnetz einspeist und wobei die Industrieanlage dazu ausgestaltet ist, während ihres Betriebs eine steuerbare Menge an elektrischer Leistung aufzunehmen. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die Industrieanlage derart gesteuert wird, dass die von ihr

aufgenommene Menge an elektrischer Leistung an die gleichzeitig durch die Energiequelle eingespeiste Menge an elektrischer Leistung angepasst ist. Unter einer volatilen Energiequelle ist dabei eine Energiequelle zu verstehen, die zeitlich veränderliche Leistungsmengen in das Stromnetz einspeist. Dabei kann es sich bevorzugt um eine

Energiequelle handeln, die einen bestimmten und signifikanten Anteil der insgesamt in das Stromnetz eingespeisten Leistung zur Verfügung stellt. Ein signifikanter Anteil liegt bevorzugt oberhalb von 10% der in das Stromnetz eingespeisten Leistung. Es ist jedoch auch denkbar, dass bereits kleinere Anteile an volatil eingespeister Energie zu einer ökonomischen Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens führen.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird umso relevanter, je größer der Anteil volatiler Energiequellen ist, die elektrische

Leistung in das Stromnetz einspeisen. Die Industrieanlage kann dabei einerseits an die gleichzeitig durch die Energiequelle eingespeiste Menge an elektrischer Leistung angepasst sein.

Andererseits kann die Industrieanlage zusätzlich an die zum selben Zeitpunkt von anderen Stellen des Stromnetzes, z.B. von Haushalten oder anderen großen Stromabnehmern wie

Verkehrsmitteln, aufgenommene Leistung angepasst sein.

Insbesondere kann die durch die Industrieanlage aufgenommene Menge an elektrischer Leistung an das typische

Leistungsaufnahmeprofil eines Stromnetzes angepasst sein. Somit ist es durch das erfindungsgemäße Verfahren möglich, das

Leistungseinspeisungsprofil der volatilen Energiequelle an das Leistungsaufnahmeprofil des Stromnetzes, beispielsweise das „Haushaltsprofil" der Bevölkerung, anzupassen, indem die

überschüssige Leistung nicht verworfen, sondern gezielt durch die Industrieanlage aufgenommen und verwendet oder freigegeben, d.h. nicht aufgenommen, wird.

Im Unterschied zu einer bisher bereits teilweise praktizierten Abschaltung einer energieintensiven Industrieanlage bei

drohender Netzüberlastung wegen der kurzzeitig stark

angestiegenen Entnahme elektrischer Leistung durch einen anderen Stromabnehmer, die sich, eine konstante Energieeinspeisung voraussetzend, vor allem an der Leistungsentnahme durch andere Stromabnehmer orientiert hat, wird die Industrieanlage im Sinne des erfindungsgemäßen Verfahrens in einem kontinuierlich

steuerbaren Prozess vor allem an die Einspeisung der Energie durch volatile Energiequellen angepasst.

Dies ermöglicht eine optimale Nutzung der durch volatile

Energiequellen eingespeisten Energie und verhindert, dass die über eine wegen der Netzstabilität im Voraus bestimmte zur

Einspeisung freigegebene Leistungsmenge hinausgehende Energie ungenutzt bleibt. Somit ist es möglich, eine Industrieanlage, insbesondere eine Aluminiumelektrolyseanlage, als virtuellen elektrischen Speicher zu verwenden, der einerseits

Leistungsspitzen bei der Energieeinspeisung aufnehmen und andererseits einen Leistungsmangel bei der elektrischen

Energieeinspeisung durch verminderte Leistungsaufnahme

ausgleichen kann.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer

Industrieanlage ist es somit möglich, die Netzstabilität eines Stromnetzes sicherzustellen und dabei gleichzeitig das Maximum der durch volatile Energiequellen einspeisbaren Leistung

industriell zu nutzen, ohne dass hierfür ineffiziente oder kostenintensive Speicheranlagen im Stromnetz vorgesehen werden müssen .

Bevorzugt ist die Energiequelle eine regenerative Energiequelle, insbesondere eine Windkraftanlage oder eine Sonnenenergieanlage. Vor allem Windkraftanlagen und Sonnenenergieanlagen gehören zu den Energiequellen in einem Stromnetz, deren

Leistungseinspeisung sehr stark von den meteorologischen

Bedingungen in der Umgebung der jeweiligen Anlage abhängt.

Bisher wird beispielsweise anhand von Wetterprognosen gegenüber einem Stromnetzbetreiber vorausberechnet, welche Leistungsmenge zu welcher Zeit durch eine Windkraftanlage bzw. eine

Sonnenenergieanlage zur Einspeisung zur Verfügung gestellt werden wird. Anhand dieser Prognosen müssen die übrigen

Energiequellen für das Stromnetz gesteuert werden und

Abweichungen von der Vorhersage ausgeglichen werden. Dies führt dazu, dass bei einer vorsichtigen Schätzung der durch die regenerative Energiequelle zur Verfügung gestellten elektrischen Leistung ab dem Erreichen dieser zuvor geschätzten/berechneten Leistungsmenge eine weitere Einspeisung in das Stromnetz unter Umständen nicht stattfindet und nicht die gesamte durch die Energiequelle bereitgestellte Energie genutzt wird.

Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens im Fall eines Stromnetzes mit einer regenerativen Energiequelle, insbesondere einer Windkraftanlage oder einer Sonnenenergieanlage, ist es im Gegensatz dazu möglich, den Anteil der durch diese Energiequelle erzeugten Energie im Stromnetz vollständig zu nutzen und somit die Verwendung konventioneller fossiler Kraftwerke oder von Kernkraftwerken auf ein Minimum zu reduzieren.

Die Industrieanlage kann somit völlig gleichwertig zu einem Speicher im Netz die jeweils aktuelle Differenz zwischen

Energieangebot und Energienachfrage ausgleichen.

Besonders bevorzugt wird die von der Industrieanlage

aufgenommene Leistung zusätzlich an den durch das Stromnetz gespeisten Energiebedarf angepasst. Beim durch das Stromnetz gespeisten Energiebedarf kann es sich insbesondere um den „Haushaltsenergiebedarf" handeln, der einen statistisch

bestimmten charakteristischen Verlauf aufweist und insbesondere Spitzenwerte zwischen 11.00 und 12.00 Uhr mittags erreicht.

Hierbei kann es sich gleichermaßen um einen erwarteten wie einen unerwartet auftretenden Energiebedarf handeln, so dass das erfindungsgemäße Verfahren sich nicht nur als virtueller

Speicher im Hinblick auf volatil eingespeiste, sondern auch auf volatil abgerufene Leistung nutzen lässt.

Bevorzugt wird die Industrieanlage derart gesteuert, dass sie bei steigender Leistungseinspeisung durch die Energiequelle mehr Leistung aufnimmt und bei sinkender Leistungseinspeisung durch die Energiequelle weniger Leistung aufnimmt. Dieses bevorzugte Verfahren entspricht einer unmittelbaren Kopplung der

Leistungsaufnahme der Industrieanlage an die

Leistungseinspeisung durch die Energiequelle, wobei hier nicht zwangsläufig eine lineare Abhängigkeit zwischen

Leistungseinspeisung und Leistungsaufnahme vorliegen muss . Auch kann das Maß, gegenüber dem die Leistungsaufnahme der Industrieanlage steigt oder sinkt, beispielsweise durch die erwartete Leistungsentnahme aus dem Stromnetz definiert werden. Idealer Weise wird genau die Menge an elektrischer Leistung durch die Industrieanlage aufgenommen, die bei vollständiger Einspeisung der durch die volatile Energiequelle

bereitgestellten Leistung gegenüber der übrigen aus dem

Stromnetz aufgenommenen Leistung zur Verfügung steht. Die

Industrieanlage nimmt mit anderen Worten genau die Differenz zwischen momentaner Leistungseinspeisung und gleichzeitiger Leistungsentnahme auf und nutzt diese Energie für ihren Betrieb.

Bei einer erfindungsgemäßen Verwendung einer Industrieanlage, insbesondere einer Aluminiumelektrolyseanlage, als virtueller elektrischer Speicher in einem Stromnetz speist zumindest eine volatile Energiequelle elektrische Leistung in das Stromnetz ein, wobei die Industrieanlage derart betrieben wird, dass sie, in Bezug auf eine definierte Leistungseinspeisung durch die Energiequelle und eine definierte Leistungsaufnahme durch die Industrieanlage, zusätzlich eingespeiste Leistung aufnimmt oder fehlend eingespeiste Leistung freigibt.

Die definierte Leistungseinspeisung durch die Energiequelle kann insbesondere eine aufgrund von meteorologischen Vorhersagen berechnete Leistungsmenge sein, die voraussichtlich durch die volatile Energiequelle in das Stromnetz eingespeist werden wird. Hieran orientiert sich auch die definierte Leistungsaufnahme durch die Industrieanlage, so dass im seltenen Fall der

vollständigen Übereinstimmung der Vorhersage mit der tatsächlich eintretenden Wettersituation so verfahren werden kann, wie bei Einspeisung durch ein herkömmliches Grundlastkraftwerk. Sofern eine Abweichung der zur Verfügung stehenden Leistung durch die volatile Energiequelle vorliegt, wird die Industrieanlage erfindungsgemäß dazu verwendet, die zusätzlich zur Verfügung stehende und dann auch eingespeiste Leistung aufzunehmen und nicht ungenutzt zu lassen bzw. im Fall einer hinter der

Vorausberechnung zurückstehenden Leistungseinspeisung durch die volatile Energiequelle weniger Leistung aufzunehmen, als auf Grundlage der vorher berechneten Leistungseinspeisung geplant war, und damit effektiv für das Stromnetz freizugeben.

Bevorzugt wird bei der erfindungsgemäßen Verwendung einer

Industrieanlage die Industrieanlage gemäß dem zuvor

beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren betrieben.

Erfindungsgemäß leistet die vorstehend beschriebene

Fahrweise/Verwendung einer Industrieanlage einen wertvollen Beitrag zur Sicherung der Netzstabilität eines Stromnetzes mit volatilen Einspeisequellen.

Eine erfindungsgemäße Aluminiumelektrolyseanlage umfasst zumindest eine Schmelzflusselektrolysezelle zur Herstellung von Aluminium mit einer Zellenwand, welche die

Schmelzflusselektrolysezelle seitlich zumindest abschnittsweise umschließt, und zumindest einen Wärmetauscher, der von außen an der Zellenwand angeordnet ist. Ein Wärmetauscher für eine

Aluminiumelektrolyseanlage ist grundsätzlich für das Abführen von Wärme aus der Anlage bekannt, beispielsweise aus der WO 2005/111524 AI. Die erfindungsgemäße Aluminiumelektrolyseanlage ist dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher derart ausgestaltet und positioniert ist, dass eine steuerbare

Wärmemenge durch ihn von der Zellenwand weg abführbar und zur Zellenwand hin zuführbar ist. Alternativ ist die

erfindungsgemäße Aluminiumelektrolyseanlage dadurch

gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher derart ausgestaltet und positioniert ist, dass eine steuerbare Wärmemenge durch ihn von der Zellenwand weg abführbar und als Isolator nutzbar ist. Mit anderen Worten kann der Wärmetauscher so gesteuert werden, dass durch ihn eine steuerbare Wärmemenge abgeführt wird, sofern dies auf Grund des sensiblen Wärmehaushalts der

Schmelzflusselektrolysezelle vorteilhaft ist. Wenn jedoch der Wärmehaushalt der Schmelzflusselektrolysezelle einen möglichst geringen Wärmeverlust erforderlich oder wünschenswert macht, kann der Wärmetauscher so gesteuert werden, dass er als Isolator nutzbar ist, indem keine Wärme aktiv abgeführt wird und

möglichst gute Isolationseigenschaften des Wärmetauschers dazu genutzt werden, dass nur eine möglichst kleine Wärmemenge aus der Aluminiumelektrolysezelle abgegeben wird. Anders als bekannt, wird der Wärmetauscher erfindungsgemäß also dazu genutzt Wärme selektiv abzuführen oder zu konservieren bzw.

zuzuführen .

Der Wärmetauscher ist dabei derart ausgestaltet, dass er einen Betrieb der Schmelzflusselektrolysezelle innerhalb der engen Grenzen ihres sensiblen Wärmehaushalts trotz veränderbaren

Energieeintrags ermöglicht.

Im Zusammenhang mit einer Aluminiumelektrolyseanlage, die eine Schmelzflusselektrolysezelle umfasst, besteht das besondere Problem beim Betreiben dieser Anlage gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren, das die Elektrolysezelle für die Gewinnung von

Aluminium durch Elektrolyse von Aluminiumoxid eine

Fluoridschmelze beinhaltet, die größtenteils aus Kryolith besteht. Diese Schmelze erfordert eine gewisse

Mindesttemperatur, um im flüssigen und daher Strom leitenden Zustand gehalten zu werden, so dass die Elektrolyse

typischerweise in einem Temperaturbereich von zwischen 940 und 970°C stattfindet. Beim Absenken der Leistungsaufnahme durch die Elektrolysezelle verringert sich die Temperatur der Schmelze von außen nach innen, so dass die Schmelze vom Rand der

Elektrolysezelle aus nach innen nach und nach erstarrt und damit ihre Strom leitende Eigenschaft verliert.

Abgesehen von einer gewissen Mindestdicke der als „Borde" bezeichneten erstarrten Schmelzkruste am Zellenrand ist es daher nicht erwünscht, dass die Schmelze mehr und mehr erstarrt. Um dies zu verhindern, wird das Erstarren der Schmelze in der Elektrolysezelle durch Wärmezufuhr von außen oder verbesserte Isolation, beides durch den Wärmetauscher, gehemmt, so dass die Schmelze nicht durchgehend erstarrt.

Auf der anderen Seite darf die Schmelze im Innern der

Elektrolysezelle auch nicht vollständig im flüssigen Zustand vorliegen. Es wird eine gewisse Mindestdicke der Borde am Rand der Elektrolysezelle benötigt, um die Zellenwand vor der im flüssigen Zustand sehr aggressiven Schmelze zu schützen. Um bei besonders hoher elektrischer Leistungsaufnahme durch die

Elektrolysezelle die Schmelze nicht bis zur Zellenwand hin flüssig werden zu lassen, kann vermehrt Wärme durch den

Wärmetauscher abtransportiert werden.

Aus der vorangehenden Beschreibung wird deutlich, dass bei variierender elektrischer Leistungsaufnahme durch die

Elektrolysezelle und damit variierender freigesetzter

Wärmeenergie im Innern der Elektrolysezelle eine entsprechende Wärmeabfuhr auf Seiten der Zellenwand erforderlich ist. Ein unmittelbar an der Zellenwand angeordneter Wärmetauscher eignet sich dazu, die Zellenwand besonders effizient zu kühlen oder zu erwärmen und ermöglicht die Nutzung des Wärmetauschers als zusätzlicher Isolator der Zellenwand, um dadurch abgestimmt auf die Leistungsaufnahme durch den eigentlichen Elektrolysevorgang die Dicke der Borde am Rand der Elektrolysezelle zu steuern und die Aluminiumelektrolyseanlage somit dazu in die Lage zu

versetzen, innerhalb weiter Grenzen zusätzlich Leistung

aufzunehmen und auch über eine längere Zeit verringerter

Leistungsaufnahme durch die Elektrolysezelle funktionsfähig zu bleiben. Somit kann die Schmelzflusselektrolyse trotz

veränderlichen elektrischen Energieeintrags, z.B. wegen

volatiler Energieeinspeisung und entsprechend veränderlicher Energieaufnahme aus dem Stromnetz innerhalb der engen Grenzen des sensiblen Wärmehaushalts durchgeführt werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die

Aluminiumelektrolyseanlage ferner einen Wärmespeicher, der mit dem zumindest einen Wärmetauscher derart verbunden ist, dass die von der Zellenwand abgeführte Wärme in dem Wärmespeicher speicherbar ist.

Der Wärmespeicher stellt dabei eine effiziente Form der

Energiespeicherung der von der Elektrolysezelle abgegebenen Wärmeenergie dar und bildet damit ein separates

Energiereservoir, aus dem im Fall einer länger andauernden verminderten Leistungsaufnahme Energie entnommen werden kann, um ein vollständiges Erstarren der Schmelze in der Elektrolysezelle zu verhindern. Bevorzugt ist der Wärmetauscher dazu ausgestaltet, eine Abfuhr der Wärmemenge, eine Zufuhr der Wärmemenge und/oder eine

Isolationswirkung derart zu beeinflussen, dass die Menge abgeführter oder zugeführter oder durch Isolation an der

Zellenwand der Schmelzflusselektrolysezelle konservierter Wärme veränderbar ist, insbesondere gezielt erhöht und verringert werden kann. Der Wärmetauscher kann beispielsweise zwischen einem Wärme nach außen abgebenden Zustand und einem Wärme in die Schmelzflusselektrolysezelle eingebenden oder in der

Schmelzflusselektrolysezelle konservierenden Zustand

umgeschaltet werden. Dies kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass der Wärmetauscher eine Wärmeausgabeöffnung

aufweist, durch die Wärme von der Zellenwand durch den

Wärmetauscher von der Schmelzflusselektrolysezelle abgeleitet werden kann. Diese Wärmeausgabeöffnung kann bevorzugt

verschließbar sein, so dass in einem geöffneten Zustand Wärme nach außen abgeleitet werden kann, während die an dem

Wärmetauscher über die Seitenwand der

Schmelzflusselektrolysezelle abgegebene Wärme der

Schmelzflusselektrolysezelle in einem geschlossenen Zustand der Wärmeausgabeöffnung im Wärmetauscher an der Zellenwand gehalten werden und die Schmelzflusselektrolysezelle somit warm gehalten werden kann. Wenn an die bisher als Wärmeausgabeöffnung

bezeichnete oder eine andere Öffnung noch eine Wärmequelle, beispielsweise ein Wärmespeicher oder eine Heizung, ein Brenner oder ähnliches angeschlossen ist, kann sogar Wärme durch diese Öffnung von außen in den Wärmetauscher und damit an die

Zellenwand der Schmelzflusselektrolysezelle befördert werden, um diese anders als durch elektrische Energie zu erwärmen.

Ferner wird bevorzugt, dass der Wärmetauscher eine Außenfläche der Zellenwand zumindest teilweise umschließend an der

Schmelzflusselektrolysezelle angeordnet ist. Der Wärmetauscher ist also derart an der Zellenwand von außen angeordnet, dass er die Zellenwand von außen zumindest teilweise umschließt. Dies ermöglicht einen effizienten Wärmeübergang vom Wärmetauscher auf die Zellenwand und erlaubt es dem Wärmetauscher, besonders effizient Wärme der Zellenwand aufzunehmen oder an sie abzugeben. Auch eine Isolationswirkung des Wärmetauschers wird bei dieser Ausgestaltung effizient ermöglicht.

In einer bevorzugten Aus ührungsform einer

Aluminiumelektrolyseanlage, die für ihren Betrieb mit

elektrischer Energie aus einem Stromnetz versorgt wird, in das zumindest eine volatile Energiequelle elektrische Leistung einspeist, umfasst die Aluminiumelektrolyseanlage ferner eine Steuerungseinrichtung, die dazu ausgestaltet ist, die

Aluminiumelektrolyseanlage gemäß einem Verfahren der oben beschriebenen Art zu betreiben, so dass die

Aluminiumelektrolyseanlage während ihres Betriebs eine Menge elektrischer Leistung aufnimmt, die an eine gleichzeitig durch die volatile Energiequelle in das Stromnetz eingespeiste Menge angepasst ist.

Mit Vorteil ist die Steuerungseinrichtung dabei dazu

ausgestaltet, die elektrische Leistungsaufnahme der

Aluminiumelektrolyseanlage in Abhängigkeit vom gleichzeitigen Leistungsangebot volatiler Energiequellen im Netz zu steuern.

Weiter mit Vorteil ist der Wärmetauscher derart betreibbar, dass die von der Zellenwand abgeführte oder zu der Zellenwand zugeführte Wärmeenergie mit der elektrischen Leistungsaufnahme durch die Aluminiumelektrolyseanlage gekoppelt ist. Dabei wird bevorzugt Wärme von der Zellenwand weg transportiert, wenn die Leistungsaufnahme der Aluminiumelektrolyseanlage derart hoch ist, dass die Borde an der Zellenwand abschmelzen. Wenn die Leistungsaufnahme durch die Aluminiumelektrolyseanlage derart niedrig ist, dass die Schmelze in Richtung des Zentrums der Zelle nach und nach erstarrt, wird bevorzugt Wärme zur

Zellenwand hin transportiert oder der Wärmetauscher als Isolator eingesetzt, um das Erstarren der Schmelze zu hemmen.

Durch die Erfindung ist es möglich, den Anteil volatiler, insbesondere regenerativer Energiequellen auf der

Einspeisungsseite eines Stromnetzes zu erhöhen und gleichzeitig eine Industrieanlage, insbesondere eine

Aluminiumelektrolyseanlage, sicher und effizient zu betreiben. Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und der Gesamtheit der Ansprüche.

KURZE FIGURENBESCHREIBUNG

Fig. 1 zeigt eine schematische Ansicht eines Stromnetzes gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2a und 2b zeigen jeweils ein Diagramm, in dem ein

Leistungsaufnahmeprofil bzw. ein

Leistungseinspeisungsprofil aufgetragen sind; und

Fig. 3 zeigt in einer schematischen Ansicht eine

Aluminiumelektrolyseanlage .

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

Fig. 1 zeigt ein Stromnetz 10 mit einer volatilen Energiequelle 14, die Leistung in das Stromnetz 10 einspeist. Daneben sind Stromabnehmer 16 an das Stromnetz 10 angeschlossen, die von der Energiequelle 14 eingespeiste Leistung gleichzeitig aus dem Stromnetz 10 entnehmen. Ferner ist eine Industrieanlage 12 an das Stromnetz 10 angeschlossen, um die von der Energiequelle 14 eingespeiste Leistung, die nicht von den Stromabnehmern 16 entnommen wird, aufzunehmen und damit die insbesondere

regenerativ bereitgestellte Leistung der Energiequelle 14 zu nutzen.

Die Energiequelle 14 speist eine maximale Leistungsmenge in das Stromnetz 10 ein, wobei die Leistung gleichzeitig aus dem

Stromnetz 10 entnommen werden muss, um die Netzstabilität des Stromnetzes 10 nicht zu gefährden, insbesondere nicht zu

Spannungs- oder FrequenzSchwankungen des Wechselstroms zu führen.

Bisher wird daher die Menge der eingespeisten Leistung im Voraus festgelegt und auf den festgelegten Wert begrenzt, so dass über den festgelegten Wert hinaus zur Verfügung stehende elektrische Leistung nicht in das Stromnetz 10 eingespeist wird.

Erfindungsgemäß wird die Leistungsaufnahme durch die

Industrieanlage 12 aus dem Stromnetz 10 nun an die von der

Energiequelle 14 eingespeiste Leistungsmenge angepasst, so dass die Energiequelle 14 auch die über einen möglicherweise

prognostizierten Wert hinausgehende Menge an einzuspeisender Leistung in das Stromnetz 10 einspeisen kann, ohne das Stromnetz 10 damit zu überlasten.

Fig. 2a und 2b zeigen jeweils ein Diagramm, in dem verschiedene Leistungsverläufe zeitlich über einen Tag aufgetragen sind.

Zunächst zeigt Fig. 2a ein Haushaltsprofil 22, das die

Leistungsaufnahme aus dem Stromnetz durch die Gesamtheit der Haushalte beispielhaft widerspiegelt. Dieses Haushaltsprofil 22 weist ein Maximum etwa in der Mitte des Tages auf, zu dem es von den Morgenstunden an ansteigt und von dem es zum Abend hin allmählich wieder abfällt. Das Haushaltsprofil 22 spiegelt den üblichen Leistungsbedarf eines durchschnittlichen Haushalts dar und muss bei der Einspeisung von Energie in das Stromnetz vor allem berücksichtigt werden. Insbesondere ist es nötig, zu jeder Zeit genügend elektrische Leistung zur Verfügung zu stellen, um dem Haushaltsprofil 22 folgen zu können.

Oberhalb des Haushaltsprofils 22 ist ein Gesamt- Einspeisungsprofil 24 einer volatilen Energiequelle eingetragen sowie ein konventionelles Einspeisungsprofil 25, das die Menge an noch fehlender, einzuspeisender Energie darstellt, die in das Stromnetz eingespeist werden sollte, um einen konstanten

industriellen Leistungsbedarf zu decken.

Das konventionelle Einspeisungsprofil 25 verläuft dabei im

Wesentlichen parallel zum Haushaltsprofil 22, so dass gegenüber dem Haushaltsprofil 22 immer eine konstante Überschussleistung 29 bereitsteht, um durch eine Industrieanlage oder dergleichen genutzt zu werden. Zwischen dem konventionellen

Einspeisungsprofil 25 und dem Gesamt-Einspeisungsprofil 24 liegt ein Bereich, der einen Leistungsüberschuss 28.1 oder

Leistungsmangel 28.2 darstellt. Der Leistungsüberschuss 28.1 könnte zwar von der volatilen Energiequelle theoretisch eingespeist werden, wird jedoch von den Stromabnehmern des Stromnetzes nicht entnommen und daher auch nicht in das

Stromnetz eingespeist, sondern geht verloren. Der

Leistungsmangel 28.2 fehlt zwischen dem Gesamt-

Einspeisungsprofil 24 und dem konventionellen Einspeisungsprofil 25, so dass diese Leistungslücke durch eine weitere

Energiequelle oder einen Energiespeicher aufgefüllt werden müsste .

In Fig. 2b ist ein konventionelles Leistungsaufnahmeprofil 20 einer Industrieanlage gezeigt. Diese nimmt kontinuierlich dieselbe Leistungsmenge auf, solange sie in Betrieb ist. Daneben ist ein optimales Energieaufnahmeprofil 21 zu sehen, dass die gesamte zur Verfügung stehende Leistung der volatilen

Energiequelle abzüglich des Haushaltsprofils 22 nutzt.

Sofern die Überschussleistung 29 für die Industrieanlage zwischen dem konventionellen Einspeisungsprofil 25 und dem

Haushaltsprofil 22 nicht durch die volatile Energiequelle gedeckt werden kann, ist es nötig, für einen zuverlässigen

Betrieb der Industrieanlage durch konventionelle Kraftwerke oder aus Energiespeichern zusätzliche Leistung in das Stromnetz einzuspeisen .

Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben einer

Industrieanlage ist es jedoch möglich, die Leistungsaufnahme der Industrieanlage während des Leistungsmangels des Gesamt- Einspeisungsprofils 24 gegenüber dem eigentlich gewünschten konventionellen Einspeisungsprofil 25 herunterzufahren.

Die somit nicht aufgenommene Leistung steht den übrigen

Verbrauchern im Stromnetz zur Verfügung, so dass die

Industrieanlage die Funktion eines virtuellen Speichers

übernimmt. Mit anderen Worten stellt diese Verwendung der

Industrieanlage, indem zur Entnahme vorgesehene Leistungsmengen von der Industrieanlage nicht entnommen werden und überschüssige Leistungsmengen durch die Industrieanlage aufgenommen und verwertet werden, für das Stromnetz die Funktion eines

(virtuellen) Speichers zur Verfügung, wie sie sonst durch einen Pumpspeicher oder eine andere Speichervorrichtung oder auch ein zusätzliches konventionelles Kraftwerk als Notreserve erfüllt wird .

Somit kann die Netzstabilität des Stromnetzes bei entsprechender Verwendung der Industrieanlage auch noch bei einem hohen Anteil volatiler Energiequellen an der Leistungseinspeisung in das Stromnetz sichergestellt werden, ohne dabei aufwändige und kostenintensive zusätzliche Speicher in das Stromnetz

integrieren zu müssen.

Fig. 3 zeigt in einer schematischen Ansicht eine

Aluminiumelektrolyseanlage mit einer

Schmelzflusselektrolysezelle 30. Die

Schmelzflusselektrolysezelle 30 wird seitlich durch Zellenwände 32 begrenzt und weist darüber hinaus einen Zellenboden 34 auf, der gleichzeitig als Kathode für das Elektrolyseverfahren im Innern der Zelle 30 fungiert. Im Innern der Zelle 30 befindet sich eine von oben in die Zelle 30 hineinragende Anode 36 und die Schmelze 38, 35.1, die u. a. Kryolith und geschmolzenes Aluminium aufweist. Unmittelbar an den Zellenwänden 32 der Schmelzflusselektrolysezelle 30 ist in der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform ein Wärmetauscher 39 angeordnet, durch den ein Fluid, wie z. B. Luft, C0₂, Stickstoff oder eine Flüssigkeit geleitet wird. Der Wärmetauscher 39 ist dabei über ein

Leitungssystem 31 mit einem Wärmespeicher 33 verbunden, der beispielsweise durch einen konventionellen oder auch einen

Latenzwärmespeicher gebildet sein kann.

Im Fall einer hohen Leistungsaufnahme der

Schmelzflusselektrolysezelle 30 wird im Innern der Zelle durch die Elektrolyse eine große Menge Wärmeenergie freigesetzt, die von der Zelle über ihre Seitenwände 32 und den Zellenboden 34 abgegeben wird. Die gewünschte abgegebene Wärme wird dabei so bemessen, dass an der Innenseite der Zellenwände 32 Borde 35.2 der erstarrten Schmelze 35.1 als Schutzschicht gebildet werden. Die Borde 35.2 variieren lediglich in ihrer Dicke in

Abhängigkeit von der von innen in die Zelle eingebrachten

Energie und von der durch Wärmeabstrahlung nach außen abgegebenen Energie. Durch den Betrieb des Wärmetauschers 39 kann die über die Zellenwände 32 abgegebene Wärmeenergiemenge gesteuert werden, indem mehr oder weniger kühlendes Fluid durch den Wärmetauscher 39 geleitet wird. Das Fluid kann dabei sowohl von außen in den Wärmetauscher 39 eingeleitet werden, als auch sich bereits im Leitungssystem 31 mit dem Wärmespeicher 33 befinden.

Sofern es nötig werden sollte, dass aufgrund einer zu geringen elektrischen Leistungsaufnahme durch die

Schmelzflusselektrolysezelle Wärme von außen zugeführt werden muss, um die Borde 35.2 nicht zu groß werden zu lassen, kann Wärme aus dem Wärmespeicher 33 durch das Leitungssystem 31 zum Wärmetauscher 39 geleitet werden. Dadurch kann das Innere der Schmelzflusselektrolysezelle über die Zellenwände 32 effektiv beheizt werden, indem weniger Wärme nach außen abgestrahlt wird, weil der Temperaturunterschied zwischen dem Innern der Zelle und der Außenseite der Zellenwände 32 verringert wird, und dadurch das Erstarren der Schmelze gehemmt wird.

Eine Steuerungseinrichtung 37 ist dazu ausgestaltet, die

Aluminiumelektrolyseanlage derart zu betreiben, dass die von ihr aufgenommene Menge an elektrischer Leistung an die gleichzeitig durch eine volatile Energiequelle in das mit ihr verbundene Stromnetz eingespeiste Menge an elektrischer Leistung angepasst ist .

Die vorstehend beschriebene schematische Darstellung einer

Aluminiumelektrolyseanlage stellt ein Beispiel für eine

Industrieanlage dar, die gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben und erfindungsgemäß verwendet werden kann, um ein Stromnetz mit volatilen Energiequellen stabil zu halten, ohne auf spezielle Speicher und dergleichen zurückgreifen zu müssen.

Claims

Patentansprüche

1. Aluminiumelektrolyseanlage, umfassend zumindest eine

Schmelzflusselektrolysezelle (30) zur Herstellung von Aluminium mit

einer Zellenwand (32) , welche die

Schmelzflusselektrolysezelle seitlich zumindest abschnittsweise umschließt, und

zumindest einem Wärmetauscher (39) , der von außen an der Zellenwand (32) angeordnet ist,

dadurch gekennzeichnet, dass

der Wärmetauscher (39) derart ausgestaltet und positioniert ist, dass eine steuerbare Wärmemenge durch ihn von der

Zellenwand (32) abführbar und zur Zellenwand (32) zuführbar oder eine steuerbare Wärmemenge durch ihn von der Zellenwand (32) abführbar und der Wärmetauscher (39) als Isolator nutzbar ist.

2. Aluminiumelektrolyseanlage nach Anspruch 1, wobei der

Wärmetauscher (39) dazu ausgestaltet ist, eine Abfuhr und/oder eine Zufuhr der Wärmemenge derart zu beeinflussen, dass die Menge abgeführter oder zugeführter Wärme veränderbar ist, insbesondere gezielt erhöht und verringert werden kann.

3. Aluminiumelektrolyseanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Wärmetauscher (39) eine Außenfläche der Zellenwand (32) zumindest teilweise umschließend angeordnet ist.

4. Aluminiumelektrolyseanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die für ihren Betrieb mit elektrischer Energie aus einem Stromnetz (10) versorgt werden kann,

in das zumindest eine volatile Energiequelle (14)

elektrische Leistung einspeist,

ferner umfassend eine Steuerungseinrichtung (37) , die dazu ausgestaltet ist, die Aluminiumelektrolyseanlage derart zu betreiben, dass die Aluminiumelektrolyseanlage während ihres Betriebs eine Menge elektrischer Leistung aufnimmt, die an eine gleichzeitig durch die volatile Energiequelle (14) in das

Stromnetz (10) eingespeiste Menge angepasst ist.

5. Aluminiumelektrolyseanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Wärmetauscher (39) derart betreibbar ist, dass die von der Zellenwand (32) abgeführte oder zu der

Zellenwand (32) zugeführte Wärmeenergie mit der elektrischen Leistungsaufnahme durch die Aluminiumelektrolyseanlage gekoppelt ist .

6. Aluminiumelektrolyseanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend einen Wärmespeicher (33) , der mit dem zumindest einen Wärmetauscher (39) derart verbunden ist, dass die von der Zellenwand (32) abgeführte Wärme in dem

Wärmespeicher (33) speicherbar ist.

7. Verfahren zum Betreiben einer Aluminiumelektrolyseanlage (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

wobei die Aluminiumelektrolyseanlage (12) für ihren Betrieb mit elektrischer Energie aus einem Stromnetz (10) versorgt wird, wobei zumindest eine volatile Energiequelle (14) elektrische Leistung in das Stromnetz (10) einspeist und

wobei die Aluminiumelektrolyseanlage (12) dazu ausgestaltet ist, während ihres Betriebs eine steuerbare Menge an

elektrischer Leistung aufzunehmen,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Aluminiumelektrolyseanlage (12) derart gesteuert wird, dass die von ihr aufgenommene Menge an elektrischer Leistung an die gleichzeitig durch die volatile Energiequelle (14)

eingespeiste Menge an elektrischer Leistung angepasst ist.

8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die von der

Aluminiumelektrolyseanlage (12) aufgenommene Leistung zusätzlich an den durch das Stromnetz (10) gespeisten Energiebedarf

angepasst wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 und 8, wobei die

Aluminiumelektrolyseanlage (12) derart gesteuert wird, dass sie bei steigender Leistungseinspeisung durch die Energiequelle (14) mehr Leistung aufnimmt und bei sinkender Leistungseinspeisung weniger Leistung aufnimmt.

10. Verwendung einer Aluminiumelektrolyseanlage (12), insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 6, als virtueller elektrischer Speicher in einem Stromnetz (10) ,

wobei zumindest eine volatile Energiequelle (14) elektrische Leistung in das Stromnetz (10) einspeist,

wobei die Aluminiumelektrolyseanlage (12) derart betrieben wird, dass sie, in Bezug auf eine definierte

Leistungseinspeisung durch die Energiequelle (14) und eine definierte Leistungsaufnahme durch die

Aluminiumelektrolyseanlage (12) , zusätzlich eingespeiste

Leistung aufnimmt oder fehlend eingespeiste Leistung freigibt.

11. Verwendung einer Aluminiumelektrolyseanlage (12) nach

Anspruch 10, wobei die Aluminiumelektrolyseanlage (12) durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9 betrieben wird.

12. Stromnetz (10), dessen Netzstabilität durch die Verwendung einer Aluminiumelektrolyseanlage (12) nach einem der Ansprüche 10 und 11 gesteuert wird.