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TECHNISCHES GEBIET
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Industrieanlage, insbesondere 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.
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Ferner betrifft die Erfindung ein Stromnetz und eine Aluminiumelektrolyseanlage, umfassend zumindest eine Schmelzflusselektrolysezelle zur Herstellung von Aluminium.
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STAND DER TECHNIK
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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.
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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 hierfür gewünschten Temperatur, für einen effizienten Herstellungsprozess von Aluminium ideal sind.
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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.
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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.
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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.
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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 des 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.
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DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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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.
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Die Aufgabe wird durch das Verfahren zum Betreiben einer Industrieanlage nach Anspruch 1, die Verwendung einer Industrieanlage nach Anspruch 5, ein Stromnetz nach Anspruch 7 und eine Aluminiumelektrolyseanlage nach Anspruch 8 gelöst.
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In einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben einer Industrieanlage, insbesondere 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.
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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.
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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.
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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 vor allem an die Einspeisung der Energie durch volatile Energiequellen angepasst.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die Industrieanlage kann somit völlig gleichwertig zu einem Speicher im Netz die jeweils aktuelle Differenz zwischen Energieangebot und Energienachfrage ausgleichen.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Bevorzugt wird bei der erfindungsgemäßen Verwendung einer Industrieanlage die Industrieanlage gemäß dem zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren betrieben.
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Erfindungsgemäß leistet die vorstehend beschriebene Fahrweise/Verwendung einer Industrieanlage einen wertvollen Beitrag zur Sicherung der Netzstabilität eines Stromnetzes mit volatilen Einspeisequellen.
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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. 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.
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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.
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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 durch den Wärmetauscher gehemmt, so dass die Schmelze nicht durchgehend erstarrt.
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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.
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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, 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.
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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.
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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.
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In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Aluminiumelektrolyseanlage ferner eine Steuerungseinrichtung, die dazu ausgestaltet ist, die Aluminiumelektrolyseanlage gemäß einem Verfahren der oben beschriebenen Art zu betreiben.
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Mit Vorteil ist die Steuerungseinrichtung dabei dazu ausgestaltet, die elektrische Leistungsaufnahme der Aluminiumelektrolyseanlage in Abhängigkeit vom gleichzeitigen Leistungsangebot volatiler Energiequellen im Netz zu steuern.
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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, um das Erstarren der Schmelze zu hemmen.
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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.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und der Gesamtheit der Ansprüche.
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KURZE FIGURENBESCHREIBUNG
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1 zeigt eine schematische Ansicht eines Stromnetzes gemäß der vorliegenden Erfindung;
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2a und 2b zeigen jeweils ein Diagramm, in dem ein Leistungsaufnahmeprofil bzw. ein Leistungseinspeisungsprofil aufgetragen sind; und
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3 zeigt in einer schematischen Ansicht eine Aluminiumelektrolyseanlage.
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WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
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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.
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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.
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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 des Stromnetz 10 einspeisen kann, ohne des Stromnetz 10 damit zu überlasten.
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2a und 2b zeigen jeweils ein Diagramm, in dem verschiedene Leistungsverläufe zeitlich über einen Tag aufgetragen sind. Zunächst zeigt 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.
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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.
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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.
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In 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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 3 gezeigten Ausführungsform ein Wärmetauscher 39 angeordnet, durch den ein Fluid, wie z. B. Luft, CO2, 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.
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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.
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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 des 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.
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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.
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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.
