RenewableSteelGases Einbindung erneuerbarer Energie in die Stahlproduktion zur Energieeffizienzsteigerung und Reduktion der CO2-Emissionen
Im Rahmen des Projekts wurde die Entwicklung von Prozessketten zur energieeffizienten Nutzung geeigneter Prozessgase (Tiegelgas, Gichtgas und Kokereigas) eines integrierten Hüttenwerks unter Eingliederung einer Power-to-Gas Anlage (Erzeugung von synthetischem Methan), sowie die Implementierung und wechselseitige Verschaltung einer Biomassevergasungsanlage (BVA) zur Bereitstellung von biogen erzeugtem H2 und CO2 behandelt. Dies wurde im Projekt sowohl theoretisch als auch experimentell untersucht, um im integrierten Hüttenwerk die CO2-Emissionen maximal zu senken und die Energieeffizienz zu erhöhen.
Die Bereitstellung CH4-reicher Gase für die hüttenwerksinterne Nutzung oder die Einspeisung in das öffentliche Gasnetz, mit einer Optimierung und Quantifizierung des CO2-Einsparpotentials, für das geplante Vorhaben durch Nutzung des C-Potentials der Kuppelgase sowie durch Verwertung des CO2-Produktgasstroms aus der BVA wurde als Priorität des Projektes eingestuft. Eine Vielzahl an Szenarien wurde entwickelt, um die vielen Kombinationsmöglichkeiten an Anlagen- und Energieströmen abzubilden und mit technoökonomischen, makroökonomischen, systemischen und ökologischen Analysen der konzipierten spezifischen Prozesse zu bewerten.
Ausgangssituation
In modernen Stahlwerken ist das Energieeffizienzpotential durch herkömmliche Prozessoptimierungen bereits weitgehend ausgeschöpft. Daher besteht die Notwendigkeit, durch neue, innovative Ansätze die Stahlproduktion energie- und ressourceneffizienter sowie klimafreundlicher zu gestalten.
In einem Stahlwerk fallen energiereiche CO-, CO2- und H2-haltige Prozessgase /Kuppelagase, aus unterschiedlichen Prozessen an, die nach dem Stand der Technik innerhalb des integrierten Hüttenwerks energetisch verwertet werden, welche aber großes Potenzial für die Einbindung einer Power-to-Gas Anlage und Biommasevergasungsanlage haben.
Durch die Entwicklung gesamter Prozessketten zur energieeffizienten Nutzung geeigneter Kuppelgase unter Einbindung erneuerbarer Energie ergibt sich die Möglichkeit, die Energieeffizienz in der Stahlproduktion zu erhöhen und die Treibhausgasemissionen zu reduzieren.
© Montanuniversität Leoben
Projektverlauf
Das Projekt wurde in 9 Arbeitspakete unterteilt. In den ersten Phasen wurden die Kuppelgasströme des integrierten Hüttenwerks erfasst und die möglichen Prozessketten/Szenarien erstellt und für Simulationen verwendet. Die Simulation möglicher Szenarien wurde von experimentellen Untersuchungen zur Methanisierung und zur Biomassevergasung begleitet. Das Potenzial für die Verwendung und die Aufbereitung des Produktgasgemisches nach der Methanisierung wurde untersucht und die Steigerung der Energieeffizienz in der Produktion bewertet. Letztendlich wurden anhand der Ergebnisse eine Vorbereitung für die Implementierung in der Demonstrationsmaßstab erarbeitet.
Meilensteine
- Prozessgaslogistik in einem integrierten Hüttenwerk
- Bewertung von möglichen Prozessketten
- Daten aus Biomassevergasung für Simulationsmodell
- Modellierung und Simulation von Prozessketten
- Zwischenbericht 1
- Laborversuche Methanisierung 1
- Anlagenkonzept mit optimierten Betriebsparametern
- Zwischenbericht 2
- Laborversuche Methanisierung 2
- Konzeptionierung einer Demonstrationsanlage
- Effizienzsteigerung und CO2-Reduktion in der Stahlproduktion
- Endbericht
"Durch Einbindung erneuerbarer Energie in den Stahlwerksprozess lassen sich ein Teil der CO2 Emissionen in synthetisches Methan umwandeln und im Hüttenwerksprozess als Substitut für fossiles Erdgas verwenden. Jedoch sind die dafür benötigten Mengen an erneuerbarer Energie sehr groß und derzeit kaum verfügbar."
– Markus Lehner –
Ergebnisse
Nach der Bewertung möglicher Szenarien und experimenteller Untersuchungen konnten folgende Kernaussagen getroffen werden:
Die CO2 Emissionseinsparungen belaufen sich auf ungefähr 800 kt CO2eq pro Jahr durch die vollständige Einsparung von fossilem Erdgas.
In umfangreichen experimentellen Untersuchungen konnte nachgewiesen werden, dass eine Methanisierung von Gichtgas und Tiegelgas ohne die Abtrennung des Inertgases Stickstoff technisch möglich ist. Daher kann ein Produktgas zur hüttenwerksinternen Nutzung erzeugt werden, ohne das CO2 aus den Kuppelgasen energieintensiv abzuscheiden.
Die Betriebskosten, speziell die Stromkosten (für die Elektrolyse), haben den größten Einfluss auf die Entstehungskosten von synthetischem Methan, während die Investitionskosten nur eine untergeordnete Rolle spielen.
Die Biomassevergasung hat sich zwar als günstiger als die Elektrolyse erwiesen, jedoch ist sie bezüglich ihrer Leistung stärker eingeschränkt als zukünftige Elektrolyse/Power-to-Gas Systeme.
Eine kurz- bis mittelfristige Umsetzung des Konzeptes scheitert derzeit in erster Linie an der Bereitstellung des benötigten erneuerbaren Stroms bzw. der Biomasse sowie an der notwendigen Größe der Elektrolyse und der Biomassevergasung.
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Univ.-Prof. DI Dr.-Ing. Markus Lehner
Studium Maschinenbau, Fachrichtung Verfahrenstechnik an der TU München. 1996 Promotion am Lehrstuhl A für Thermodynamik der TU München zum Thema „Staubabscheidung im Venturiwäscher mit Flüssigkeits-Selbstansaugung“. Postdoc am selben Lehrstuhl bis 1998. Von 1999 – 2010 RVT Process Equipment GmbH (vormals Rauschert Verfahrenstechnik GmbH), Steinwiesen Deutschland. Zuletzt Bereichsleiter Vertrieb, Engineering und Konstruktion. Seit 1.10.2010 Leiter des Lehrstuhls für Verfahrenstechnik des industriellen Umweltschutzes. Arbeitsgebiete: Energieverfahrenstechnik, Thermisches Cracken, katalytische Prozesse zur CO2-Verwertung, Power-to-Gas, Gasreinigung, insbesondere Absorption.
Steckbrief
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Projektnummer858776
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Koordinator
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ProjektleitungMarkus Lehner, markus.lehner@unileoben.ac.at
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PartnerK1-MET GmbH
Technische Universität Wien
Energieinstitut an der Johannes Kepler Universität Linz
voestalpine Stahl GmbH
voestalpine Stahl Donawitz GmbH
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SchlagwörterBiomassevergassung, Integriertes Hüttenwerk, Methanisierung, Power-to-Gas
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FörderprogrammEnergieforschungsprogramm
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Dauer03.2017 - 02.2020
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Budget726.388 €
