EP3818318A1 - Verfahren und einrichtung zum betrieb einer produktionsanlage - Google Patents

Verfahren und einrichtung zum betrieb einer produktionsanlage

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EP3818318A1
EP3818318A1 EP19734806.3A EP19734806A EP3818318A1 EP 3818318 A1 EP3818318 A1 EP 3818318A1 EP 19734806 A EP19734806 A EP 19734806A EP 3818318 A1 EP3818318 A1 EP 3818318A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
production
data
forecast
energy
production process
Prior art date
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Pending
Application number
EP19734806.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Thorsten NOGLI
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Thyssenkrupp Polysius GmbH
ThyssenKrupp AG
Original Assignee
ThyssenKrupp AG
ThyssenKrupp Industrial Solutions AG
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Filing date
Publication date
Application filed by ThyssenKrupp AG, ThyssenKrupp Industrial Solutions AG filed Critical ThyssenKrupp AG
Publication of EP3818318A1 publication Critical patent/EP3818318A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27D—DETAILS OR ACCESSORIES OF FURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS, IN SO FAR AS THEY ARE OF KINDS OCCURRING IN MORE THAN ONE KIND OF FURNACE
    • F27D19/00—Arrangements of controlling devices
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27D—DETAILS OR ACCESSORIES OF FURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS, IN SO FAR AS THEY ARE OF KINDS OCCURRING IN MORE THAN ONE KIND OF FURNACE
    • F27D21/00—Arrangements of monitoring devices; Arrangements of safety devices
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27D—DETAILS OR ACCESSORIES OF FURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS, IN SO FAR AS THEY ARE OF KINDS OCCURRING IN MORE THAN ONE KIND OF FURNACE
    • F27D19/00—Arrangements of controlling devices
    • F27D2019/0028—Regulation
    • F27D2019/0034—Regulation through control of a heating quantity such as fuel, oxidant or intensity of current
    • F27D2019/0037—Quantity of electric current

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a production system, according to the preamble of claim 1.
  • the present invention also relates to a computer program, a machine-readable data carrier for storing the computer program and a device by means of which the method according to the invention can be carried out.
  • the raw materials for cement production are obtained in a quarry. There, the material is loosened either by blasting or with heavy machinery and then transported to a crusher using wheel shovel loaders and heavy goods vehicles, where it is crushed together with additives to crushed stone. This is then brought to a so-called "premix warehouse" of the cement plant via conveyor belts.
  • the material is ground together with other additives in a raw mill to raw meal and stored in a raw meal silo and homogenized.
  • the raw meal is then burned in a rotary kiln at around 1,450 ° C to cement clinker, which is then cooled and stored again.
  • the cement clinker with additives is ground in the cement mill to cement, which is then stored in cement silos.
  • the finished cement stored in the silos is finally packaged and distributed or shipped.
  • the crusher and the mills are electrically driven components that can be operated relatively flexibly. This is made possible by the fact that the material temporarily stored after the mills in the premix warehouse and in the silos forms a buffer. This buffer enables the production operation or process to be maintained even if the mills or the crusher e.g. be parked for several hours. The inventories thus available can thus be used if no regenerative energy is available. The premix warehouse and the silos are only refilled when regenerative energy is available again.
  • the range of regenerative energy depends, among other things, on the presence of e.g. Wind or sun.
  • the expected amount of wind energy can be determined by means of a wind forecast and the characteristic curve of a wind farm.
  • the situation is similar with solar energy.
  • WHR Wood heat recovery
  • coal-fired power plants etc., if you want to consider which is the cheapest energy alternative at a time t. This can be controlled by an energy management system.
  • the invention is based on the idea of consuming electrical energy mainly when sufficient regenerative energy is available.
  • flexibly operable or controllable and energy-intensive processes are adapted to the supply of fluctuating or relatively strongly variable energy offers, in particular of renewable or regenerative energy and their energy sales.
  • As much regenerative energy as possible can be used by means of the invention. This not only saves costs, it also reduces C0 2 emissions.
  • the term fluctuating energy offers also includes cost optimization from price fluctuations of conventionally generated electricity.
  • the electrical See supply of the production system by means of at least one temporally fluctuating, for example regenerative energy source, that an electrical supply sufficient for the production process according to one of the at least two process stages is checked, that with an adequate electrical supply the production process is carried out according to one of the at least two process stages , and that in the case of an electrical supply of the production process which is insufficient for the production process according to the one process step, an intermediate product produced in the production process according to the one process step is temporarily stored.
  • forecast data of the regenerative energy source are taken into account.
  • Such forecast data can e.g. can be called up or recorded online by corresponding energy providers (e.g. so-called “green electricity providers”) or by corresponding energy exchanges.
  • weather data can also be called up or recorded online.
  • the forecast data of the regenerative energy source and / or the forecast weather data can be compared with an empirically predeterminable threshold value and, if the respective threshold value is exceeded, the production process can be continued according to the respective subsequent process stage.
  • the additional sales data taken into account can be compared with existing production planning data and depending on the comparison result of the pro- production process is carried out or not carried out in accordance with the subsequent process stage.
  • a process control e.g. a cement production plant is connected in terms of control technology.
  • the device proposed according to the invention is in particular set up, a production facility in which at least one production process which consumes electrical energy intensively is carried out to produce a product and which comprises at least two process stages, intermediate products produced in the respective process stage being stored in at least one intermediate store can control by means of the proposed method.
  • the proposed device can have a communication module, by means of which the forecast data retrieved from an external data source are received, a calculation module or data memory for providing threshold values required for the comparison for the respective forecast data, and a comparator, by means of which the received forecast data and the threshold values provided by the calculation module or data memory are compared in order to supply the results of the comparison to a process control which controls the process flow of the production plant.
  • the proposed device can also include an energy management module, which already pre-processed data from a forecast module for recording or calculating the energy availability and the energy price, which regularly calls up or records the forecast or weather data mentioned, and from one to be expected Product sales calculating sales forecast module.
  • the sales forecast module receives the required current production data from a conventional production planning system, the production planning being based on, for example, externally available sales data and / or customer-related maintenance data.
  • the energy management module manages it generated data to a conventional process control system, which is connected to the process control system, for example a cement production plant
  • the method and the device according to the invention can be implemented by combining an energy management system with a production planning system.
  • the production planning system can advantageously represent an automatic, autonomous system.
  • the facility can thus combine the tasks of the energy management system with those of the production planning system.
  • the facility receives information about when and how much regenerative energy is available and when and how much material has to be available in the silos. Depending on the situation, the system then calculates which parts of the plant are started or stopped in order to produce sufficient cement with the lowest possible energy costs to meet the demands of the market.
  • the facility can take into account not only the various energy sources, but also the exact power consumption of the individual consumers and their energy consumption when starting up or shutting down the production plant.
  • the device is preferably superordinate to the actual control system and can start the various parts of the system automatically, provided they are available.
  • the facility can also take into account maintenance work, necessary downtimes and wear.
  • the invention can be used in particular in a production plant in which electrical energy-intensive production processes for producing a product are carried out and in which the intermediate products produced can be stored in an intermediate store.
  • the computer program according to the invention is set up to carry out each step of the method, in particular if it runs on a computing device or a control device. It enables the method according to the invention to be implemented on an electronic control unit without having to make structural changes to it.
  • the machine-readable data carrier is provided, on which the computer program according to the invention is stored.
  • the device according to the invention is obtained, which is set up to include one here to operate the production plant concerned by means of the method according to the invention or to control the corresponding production operation.
  • FIG. 1 shows an exemplary embodiment of the method according to the invention on the basis of a flow chart.
  • FIG. 2 shows a first exemplary embodiment of the device according to the invention using a block diagram.
  • FIG. 3 shows a second exemplary embodiment of the device according to the invention using a block diagram.
  • CEM cross-energy management
  • the method and the installation are described below using the example of a cement production plant, but can also be used in other production plants, such as production plants for the production of chemical substances such as urea, fertilizers, in steel and coke production, ore extraction or the like, are used accordingly.
  • the production of cement is an energy-intensive process that requires a particularly large amount of electrical energy.
  • the electrical electricity purchase costs are a major competitive factor for the plant operators, which is why the cement industry is suitable as a typical CEM application.
  • raw material from a quarry is first crushed and pre-ground in a grinder. Then it comes into the heart of the production plant, namely in a rotating furnace, in which it is burned to cement clinker. The clinker thus fired is then finely ground in a second grinder until a predetermined grain size is achieved.
  • the process is based on the knowledge that the two grinders represent electrically driven components which can be operated relatively flexibly.
  • the first grinder can be switched on when there is a lot of electricity from renewable sources available at low cost.
  • the ground raw material is then temporarily stored in a silo before it gets into the furnace. If, on the other hand, inexpensive electrical supply current is scarce, the clinker is first stored in the silo before the second grinding process.
  • the second grinding process is only started when inexpensive electrical power is sufficiently available again.
  • a cement production plant affected here preferably comprises a clinker silo, a redox flow battery with an electrical storage capacity for providing the entire plant output at least over an hour, and a wind power plant, which enables electrically optimizable plant control.
  • the electrical supply of the production system is carried out by means of at least one fluctuating, regenerative energy source. It is assumed in the present case that the currently running production process is in an nth production stage of at least two production stages 100. In this case, it is checked 105 for the present nth production stage whether the subsequent n + 1th Production stage of the entire production process an adequate electrical supply is guaranteed. If test 105 reveals that there is sufficient electrical supply for the n + 1 th production stage, then the production process is continued 110 according to the n + 1 th process stage. Otherwise, one in the production process according to the n th Process stage manufactured intermediate product temporarily 115. Then jump back to test step 105.
  • forecast data from the regenerative energy source can be taken into account 120.
  • correspondingly forecast weather data, in particular wind forecast data, from regenerative energy generated by wind power can be taken into account 120.
  • weather data in particular sunshine duration values
  • weather data in particular sunshine duration values
  • regenerative energy generated by hydropower alternatively or additionally appropriately forecast weather data can be taken into account 120.
  • the forecast data of the generative energy source and / or the forecast weather data can be compared with an empirically predeterminable threshold value, so that the production process is only carried out in accordance with the n + 1th process level when the respective threshold value is exceeded.
  • sales data can be checked for a degree of urgent need 125, so that in a urgent sales case, the production process is carried out according to the n + 1th process level even if the electrical supply is insufficient.
  • the sales data can be compared with specifiable or existing production planning data and, depending on the comparison result, the production process is carried out or not carried out according to the n + 1 th process level.
  • the method can also be used to check whether it makes sense to start up the grinder if there is a surplus of electricity in the network, even if the material has to be temporarily stored afterwards, or whether it is possible to switch off an aggregate if there is a lack of electricity and instead to use the supplies.
  • the cement production plant or the cement plant would thus be a supplier of balancing energy, with which fluctuations in the electricity network can be compensated.
  • the network operator would compensate the cement manufacturer for this system service (secondary control power).
  • the energy availability and the energy price are calculated, the forecast or weather data mentioned being called up or recorded regularly.
  • An expected product sales volume can be calculated using current production data from a conventional production planning system retrieved or provided.
  • Production planning can, for example, be based on externally available sales data and / or possibly customer-related maintenance data.
  • the data generated in this way can finally be fed to a process control system which is connected in terms of control technology to a process control, for example a cement production plant.
  • the described method can be implemented in the form of a control program for an electronic control unit for operating or controlling a production system concerned here, or in the form of one or more corresponding electronic control units (ECUs).
  • ECUs electronice control units
  • the device 200 shown in FIG. 2 comprises a communication module 205, by means of which the forecast data retrieved from an external data source, in the present exemplary embodiment a corresponding cloud service 207, is received via a conventional wireless and / or wired data connection 210.
  • the threshold values required for the comparison for the respective forecast data 210 are provided by means of a calculation module or data memory 215.
  • the forecast data 210 received by means of the communication module 205 and the threshold values provided by the module 215 are compared with one another by means of a comparator 220 and the results of the comparison are finally fed to a process controller 225, which controls the process sequence described in FIG. 1.
  • the device shown in FIG. 3, highlighted by a broken line 300 comprises an energy management module 305, which already has preprocessed data from a forecast module 310 for recording or calculating the energy availability and the energy price, which contains the aforementioned forecast data 315, weather data 320 and / or regularly retrieves or records forecast data from conventional electricity providers 323 and receives them from a sales forecast module 325 that calculates the expected product sales.
  • the sales forecast module 325 receives the required current production data from a conventional production planning system 330, the production planning being based on e.g. externally available sales data 335 and / or possibly customer-related maintenance data 340.
  • the energy management module 305 forwards the data generated by it to a customary process control system 345, which can be connected to a process control 350, for example a cement production system 355, for control purposes.
  • the device 300 can further comprise, as indicated by the dashed line, an optional optimization module 360 for optimizing the respective production system, which stores the respective process parameters during operation and evaluates them.
  • this can be, for example, the hydraulic pressure, the amount of fresh material to the mill, the amount of water injected, for example, for cooling purposes or in the production of cement, and the electricity consumption.
  • This data is further collected and evaluated so that the optimal operating point can also be continuously checked. Because this operating point can change due to wear and possibly changing raw materials or changing demands on the product, for example, the fineness of the product in mills.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zum Betreiben einer Produktionsanlage, in der wenigstens ein elektrische Energie intensiv verbrauchender Produktionsprozess zur Herstellung eines Produktes durchgeführt wird, welcher wenigstens zwei Prozessstufen umfasst, wobei in der jeweiligen Prozessstufe (100) erzeugte Zwischenprodukte in wenigstens einem Zwischenlager gelagert werden können, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass die elektrische Versorgung der Produktionsanlage mittels wenigstens einer zeitlich fluktuierenden, z.B. regenerativen Energiequelle erfolgt, dass eine für den Produktionsprozess gemäß einer der wenigstens zwei Prozessstufen ausreichende elektrische Versorgung geprüft wird (105), dass bei einer ausreichenden elektrischen Versorgung der Produktionsprozess gemäß einer der wenigstens zwei Prozessstufen durchgeführt wird (110), und dass bei einer für den Produktionsprozess gemäß der einen Prozessstufe nicht ausreichenden elektrischen Versorgung des Produktionsprozesses ein in dem Produktionsprozess gemäß der einen Prozessstufe hergestelltes Zwischenprodukt zwischengelagert wird (115).

Description

Beschreibung
Verfahren und Einrichtung zum Betrieb einer Produktionsanlage
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Produktionsanlage, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind auch ein Compu- terprogramm, ein maschinenlesbarer Datenträger zur Speicherung des Computerprogramms und eine Einrichtung, mittels derer das erfindungsgemäße Verfahren durchführbar ist.
Stand der Technik
Die Rohstoffe für die Zementherstellung werden in einem Steinbruch gewonnen. Dort wird das Material entweder durch Sprengungen oder mit schweren Maschinen gelockert und an- schließend mit Rad-Schaufelladern und Schwerlastkraftwagen zu einer Brecheranlage transportiert und dort zusammen mit Zusatzstoffen zu Schotter zerkleinert. Dieser wird dann über Förderbänder in ein sogenanntes„Premix-Lager“ des Zementwerkes gebracht. Im nächsten Schritt wird das Material zusammen mit weiteren Zuschlagstoffen in einer Rohmüh- le zu Rohmehl gemahlen und in ein Rohmehlsilo eingelagert und homogenisiert. Anschlie- ßend wird das Rohmehl in einem Drehofen bei etwa 1.450 °C zu Zementklinker gebrannt, der anschließend gekühlt und wiederum gelagert wird. Im letzten Schritt wird der Zement- klinker mit Zuschlagstoffen in der Zementmühle zu Zement vermahlen, der dann in Zement- silos gelagert wird. Der in den Silos gelagerte fertige Zement wird schließlich verpackt und vertrieben bzw. versandt.
Der Brecher und die Mühlen sind elektrisch angetriebene Komponenten, welche man relativ flexibel betreiben kann. Dies wird dadurch möglich, dass das nach den Mühlen in dem Premix-Lager und in den Silos zwischengelagerte Material einen Puffer bildet. Dieser Puffer ermöglicht den Produktionsbetrieb bzw. -prozess aufrecht zu erhalten, auch wenn die Mühlen oder der Brecher z.B. für mehrere Stunden abgestellt werden. Die dadurch vorhan- denen Vorräte können somit genutzt werden, wenn keine regenerative Energie zur Verfü- gung steht. Das Premix-Lager und die Silos werden erst wieder aufgefüllt, wenn wieder re- generative Energie zur Verfügung steht.
Da die Silokapazitäten allerdings begrenzt sind und eine Erweiterung der Lagerkapazitäten mit höheren Investitionskosten verbunden ist, müssen die Laufzeiten genau geplant werden. Dabei muss beachtet werden, dass dem mit fossilen Brennstoffen betriebenen Ofen immer ausreichend viel Rohmaterial zur Verfügung steht. Der Betrieb der Anlage muss somit an die Silofüllstände angepasst werden. Diese wiederum richten sich nach der verkauften Menge an Zement. Durch eine Verkaufsprognose kann die zu erwartenden Menge bestimmt wer- den. Dies kann durch ein Produktionsmanagementsystem gesteuert werden.
Das Angebot an regenerativer Energie richtet sich unter Anderem nach dem Vorhandensein von z.B. Wind oder Sonne. Durch eine Windprognose und die Anlagenkennlinie eines Wind- parks kann die zu erwartende Menge an Windenergie bestimmt werden. Analog verhält es sich bei Solarenergie. Neben den genannten sind dabei nicht nur alle Arten von regenerati- ver Energie relevant, sondern auch Strombörsen, WHR („Waste heat recovery“) Systeme, Kohlekraftwerke usw. wenn betrachtet werden soll, welches die günstigste Energie- Alternative zu einem Zeitpunkt t ist. Dies kann durch ein Energiemanagement System ge- steuert werden.
Die Zementherstellung ist mit einem erheblichen Energieeinsatz verbunden. Die Strombe- zugskosten sind ein wesentlicher Wettbewerbsfaktor für die Anlagenbetreiber. Dabei be- stimmen die Verbraucher wann Strom produziert wird. Allerdings sind regenerative Energie- quellen wie Sonne oder Wind nicht jederzeit bei Bedarf verfügbar. Bisher gibt es keine Kopp- lung zwischen der Erzeugung regenerativer Energie und dem Verbrauch in der Produktion.
Offenbarung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, elektrische Energie hauptsächlich dann zu verbrau- chen, wenn ausreichend regenerative Energie zur Verfügung steht. Dazu werden flexibel be- treibbare bzw. steuerbare und energieintensive Prozesse an das Angebot von zeitlich fluktu- ierenden bzw. relativ stark veränderlichen Energieangeboten, insbesondere von erneuerba- rer bzw. regenerativer Energie und deren Energieabsatz angepasst. Mittels der Erfindung kann möglichst viel regenerative Energie genutzt werden. Dadurch können nicht nur Kosten gespart werden, sondern auch die C02-Emissionen verringert werden. Es ist hierbei anzu- merken, dass der Begriff fluktuierende Energieangebote auch eine Kostenoptimierung aus Preisschwankungen von konventionell erzeugtem Strom umfasst.
Bei dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren zum Betreiben einer Produktionsan- lage, in der wenigstens ein elektrische Energie intensiv verbrauchender Produktionsprozess zur Herstellung eines Produktes durchgeführt wird, welcher wenigstens zwei Prozessstufen umfasst, wobei in der jeweiligen Prozessstufe erzeugte Zwischenprodukte in wenigstens ei- nem Zwischenlager gelagert werden können, ist insbesondere vorgesehen, dass die elektri- sehe Versorgung der Produktionsanlage mittels wenigstens einer zeitlich fluktuierenden, z.B. regenerativen Energiequelle erfolgt, dass eine für den Produktionsprozess gemäß einer der wenigstens zwei Prozessstufen ausreichende elektrische Versorgung geprüft wird, dass bei einer ausreichenden elektrischen Versorgung der Produktionsprozess gemäß einer der we- nigstens zwei Prozessstufen durchgeführt wird, und dass bei einer für den Produktionspro- zess gemäß der einen Prozessstufe nicht ausreichenden elektrischen Versorgung des Pro- duktionsprozesses ein in dem Produktionsprozess gemäß der einen Prozessstufe hergestell- tes Zwischenprodukt zwischengelagert wird.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren kann vorgesehen sein, dass bei der Prüfung der für den Produktionsprozess momentan ausreichenden elektrischen Versorgung Prognosedaten der regenerativen Energiequelle berücksichtigt werden. Solche Prognosedaten können z.B. von entsprechenden Energieanbietern (z.B. sogenannten„Ökostromanbietern“) oder von ent- sprechenden Energiebörsen online abgerufen bzw. erfasst werden.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren kann ferner vorgesehen sein, dass bei der Prüfung der für den Produktionsprozess momentan ausreichenden elektrischen Versorgung bei von durch Windkraft erzeugter regenerativer Energie entsprechend prognostizierte Wetterdaten, insbesondere Windvorhersagedaten, und/oder bei von durch Sonnenenergie erzeugter re- generativer Energie entsprechend prognostizierte Wetterdaten, insbesondere Sonnen- scheindauerwerte, und/oder bei von durch Wasserkraft erzeugter regenerativer Energie ent- sprechend prognostizierte Wetterdaten, berücksichtigt werden. Auch solche Wetterdaten können bekanntermaßen online abgerufen bzw. erfasst werden.
Die Prognosedaten der regenerativen Energiequelle und/oder die prognostizierten Wetterda- ten können dabei mit einem empirisch vorgebbaren Schwellenwert verglichen werden und bei Überschreiten des jeweiligen Schwellenwertes der Produktionsprozess gemäß derje- weils nachfolgenden Prozessstufe weitergeführt werden.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren kann auch vorgesehen sein, dass zusätzlich Vertriebs- daten auf ein Maß an Eilbedürfnis hin geprüft werden und dass in einem eilbedürftigen Ver- triebsfall auch bei einer nicht ausreichenden elektrischen Versorgung der Produktionspro- zess gemäß der jeweiligen Prozessstufe durchgeführt wird. Demnach kann etwa anstehen- den eiligen Produktionsaufträgen ein Vorrang vor der genannten Stromkostenoptimierung eingeräumt werden.
Die zusätzlich berücksichtigten Vertriebsdaten können mit vorliegenden Produktionspla- nungsdaten verglichen werden und in Abhängigkeit vom dem Vergleichsergebnis der Pro- duktionsprozess gemäß der jeweils nachfolgenden Prozessstufe durchgeführt oder nicht durchgeführt werden.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren kann zudem vorgesehen sein, dass die Energieverfüg- barkeit und der Energiepreis berechnet werden, wobei genannte Prognose- bzw. Wetterda- ten regelmäßig abgerufen bzw. erfasst werden, dass ein zu erwartender Produktabsatz be- rechnet wird, wobei aktuelle Produktionsdaten von einem üblichen Produktionsplanungssys- tem abgerufen werden, wobei die Produktionsplanung z.B. auf extern verfügbaren Vertriebs- daten und/oder ggf. kundenbezogenen Wartungsdaten beruht, und dass die so erzeugten Daten einem Prozessleitsystem zugeführt werden, welches mit einer Prozesssteuerung z.B. einer Zementproduktionsanlage steuerungstechnisch verbunden ist.
Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Einrichtung ist insbesondere eingerichtet, eine Pro- duktionsanlage, in der wenigstens ein elektrische Energie intensiv verbrauchender Produkti- onsprozess zur Herstellung eines Produktes durchgeführt wird, welcher wenigstens zwei Prozessstufen umfasst, wobei in der jeweiligen Prozessstufe erzeugte Zwischenprodukte in wenigstens einem Zwischenlager gelagert werden können, mittels des vorgeschlagenen Ver- fahrens zu steuern.
Die vorgeschlagene Einrichtung kann ein Kommunikationsmodul aufweisen, mittels dessen die von einer externen Datenquelle abgerufenen Prognosedaten empfangen werden, ein Be- rechnungsmoduls oder Datenspeicher zur Bereitstellung von für den Vergleich erforderlichen Schwellenwerten für die jeweiligen Prognosedaten, und einen Vergleicher aufweisen, mittels dessen die empfangenen Prognosedaten und die von dem Berechnungsmodul bzw. Daten- speicher bereitgestellten Schwellenwerte verglichen werden, um die Ergebnisse des Ver- gleichs einer Prozesssteuerung zuzuführen, welche den Prozessablauf der Produktionsanla- ge steuert.
Die vorgeschlagene Einrichtung kann ferner ein Energiemanagementmodul, welches bereits vorverarbeitete Daten von einem Prognosemodul zur Erfassung bzw. Berechnung der Ener- gieverfügbarkeit und des Energiepreises, welches die genannten Prognose- bzw. Wetterda- ten regelmäßig abruft bzw. erfasst, und von einem den zu erwartenden Produktabsatz be- rechnenden Absatzprognosemodul erhält, aufweisen. Das Absatzprognosemodul wiederum erhält erforderliche aktuelle Produktionsdaten von einem üblichen Produktionsplanungssys- tem, wobei die Produktionsplanung auf z.B. extern verfügbaren Vertriebsdaten und/oder ggf. kundenbezogenen Wartungsdaten beruht. Das Energiemanagementmodul leitet die von ihm erzeugten Daten an ein übliches Prozessleitsystem weiter, welches mit der Prozesssteue- rung z.B. einer Zementproduktionsanlage steuerungstechnisch verbunden ist
Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die Einrichtung können durch Kombination eines Energiemanagementsystems mit einem Produktionsplanungssystem implementiert werden. Das Produktionsplanungssystem kann dabei vorteilhaft ein automatisches, autonomes Sys- tem darstellen. Die Einrichtung kann somit als übergeordnetes System die Aufgaben des Energiemanagementsystems mit denen des Produktionsplanungssystems kombinieren.
Die Einrichtung erhält Informationen darüber, wann wieviel regenerative Energie zur Verfü- gung steht, und wann wieviel Material in den Silos vorhanden sein muss. Dabei wird dann situationsabhängig berechnet, welche der Anlagenteile gestartet oder gestoppt werden, um mit möglichst geringen Energiekosten ausreichend Zement zu produzieren, der die Nachfra- ge des Marktes bedient. Dabei kann die Einrichtung nicht nur die verschiedenen Energie- quellen berücksichtigen, sondern auch den exakten Stromverbrauch der einzelnen Verbrau- cher und deren Energieverbräuche beim Anfahren oder Abfahren der Produktionsanlage.
Die Einrichtung ist dabei bevorzugt dem eigentlichem Leitsystem übergeordnet und kann die verschiedenen Anlagenteile automatisch starten, soweit sie verfügbar sind.
Die Einrichtung kann ferner auch Wartungsarbeiten, notwendige Stillstände und Verschleiß mit berücksichtigen.
Die Erfindung kann insbesondere in einer Produktionsanlage, in der elektrische Energie in- tensiv verbrauchende Produktionsprozesse zur Herstellung eines Produktes durchgeführt werden und in der erzeugte Zwischenprodukte in einem Zwischenlager gelagert werden können, zur Anwendung kommen.
Das erfindungsgemäße Computerprogramm ist eingerichtet, jeden Schritt des Verfahrens durchzuführen, insbesondere wenn es auf einem Rechengerät oder einem Steuergerät ab- läuft. Es ermöglicht die Implementierung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf einem elektronischen Steuergerät, ohne an diesem bauliche Veränderungen vornehmen zu müs- sen. Hierzu ist der maschinenlesbare Datenträger vorgesehen, auf welchem das erfindungs- gemäße Computerprogramm gespeichert ist. Durch Aufspielen des erfindungsgemäßen Computerprogramms auf eine Einrichtung bzw. ein entsprechendes elektronisches Steuer- gerät wird die erfindungsgemäße Einrichtung erhalten, welches eingerichtet ist, um eine hier betroffene Produktionsanlage mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens zu betreiben bzw. den entsprechenden Produktionsbetrieb zu steuern.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläutern- den Merkmale nicht nur in der jeweiligen angegebenen Kombination, sondern auch in ande- ren Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegen- den Erfindung zu verlassen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand ei- nes Flussdiagramms.
Figur 2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Einrichtung an- hand eines Blockdiagramms.
Figur 3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Einrichtung an- hand eines Blockdiagramms.
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
Das nachfolgend beschriebene Verfahren bzw. der entsprechende Produktionsprozess zielt darauf ab, den Energieverbrauch bei der Produktion möglichst präzise an ein jeweils zur Ver- fügung stehendes Energieangebot aus erneuerbaren Quellen anzupassen. Bei dem Verfah- ren kann bevorzugt ein sogenanntes„Cross-Energy-Management“ (CEM) angewendet wer- den, worunter man generell die passgenaue Angleichung von flexibel durchführbaren, ener- gieintensiven elektrischen Prozessen an ein aktuelles Energieangebot versteht.
Das Verfahren und die Einrichtung werden nachfolgend am Beispiel einer Zementprodukti- onsanlage beschrieben, können aber auch bei anderen Produktionsanlagen, wie z.B. Pro- duktionsanlagen zur Herstellung von chemischen Stoffe wie z.B. Harnstoff, Düngemittel, in der Stahl- und Koks Produktion, bei der Erzgewinnung oder dergleichen, entsprechend ein- gesetzt werden. Die Herstellung von Zement ist ein energieintensiver Prozess, für den besonders viel elektri sche Energie benötigt wird. Die elektrischen Strombezugskosten sind ein wesentlicher Wett- bewerbsfaktor für die Anlagenbetreiber, weshalb sich die Zementbranche als typischer CEM- Anwendungsfall eignet.
In einem ersten Verfahrensschritt der Zementproduktion wird Rohmaterial aus einem Stein- bruch zunächst zerkleinert und in einem Mahlwerk vorgemahlen. Danach kommt es in das Herzstück der Produktionsanlage, und zwar in einen rotierenden Ofen, in dem es zu Ze- mentklinker gebrannt wird. Anschließend wird der so gebrannte Klinker in einem zweiten Mahlwerk fein gemahlen, bis eine vorgegebene Körnung erreicht ist.
Dem Verfahren liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die beiden Mahlwerke elektrisch ange- triebene Komponenten darstellen, welche relativ flexibel betrieben werden können. So kann beispielsweise das erste Mahlwerk eingeschaltet werden, wenn gerade viel Strom aus rege- nerativen Quellen kostengünstig vorhanden ist. Das gemahlene Vormaterial wird dann in ei- nem Silo zwischengelagert, bevor es in den Ofen gelangt. Ist kostengünstiger elektrischer Versorgungsstrom hingegen momentan knapp, wird der Klinker vor dem zweiten Mahlpro- zess zunächst in das Silo eingelagert. Der zweite Mahlprozess wird erst dann angefahren, wenn kostengünstiger elektrischer Strom wieder ausreichend verfügbar ist.
Eine hier betroffene Zementproduktionsanlage umfasst bevorzugt ein Klinkersilo, eine Re- dox-Flow-Batterie mit einer elektrischen Speicherkapazität zur Bereitstellung der gesamten Anlagenleistung wenigstens über eine Stunde sowie eine Windkraftanlage, wodurch eine elektrisch optimierbare Anlagensteuerung ermöglicht wird.
Bei dem in Figur 1 dargestellten Verfahren zum Betreiben einer hier betroffenen Produkti- onsanlage erfolgt die elektrische Versorgung der Produktionsanlage mittels wenigstens einer fluktuierenden, regenerativen Energiequelle. Es wird vorliegend angenommen, dass der momentan ablaufende Produktionsprozess sich in einer n-ten Produktionsstufe von wenigs- tens zwei Produktionsstufen befindet 100. Dabei wird für die vorliegende n-te Produktions- stufe geprüft 105, ob für die jeweils nachfolgende n+1-te Produktionsstufe des gesamten Produktionsprozesses eine ausreichende elektrische Versorgung gewährleistet ist. Ergibt die Prüfung 105, dass eine ausreichenden elektrischen Versorgung für die n+1-te Produktions- stufe vorliegt, dann wird der Produktionsprozess gemäß der n+1-ten Prozessstufe weiterge- führt 110. Andernfalls wird ein in dem Produktionsprozess gemäß der n-ten Prozessstufe hergestelltes Zwischenprodukt zwischengelagert 115. Danach wird wieder zum Prüfschritt 105 zurückgesprungen. Bei der Prüfung der für die n+1-te Prozessstufe des Produktionsprozesses momentan aus- reichenden elektrischen Versorgung können Prognosedaten der regenerativen Energiequelle berücksichtigt werden 120. Alternativ oder zusätzlich können bei von durch Windkraft er- zeugter regenerativer Energie entsprechend prognostizierte Wetterdaten, insbesondere Windvorhersagedaten, berücksichtigt werden 120. Bei von durch Sonnenenergie erzeugter regenerativer Energie können alternativ oder zusätzlich entsprechend prognostizierte Wet- terdaten, insbesondere Sonnenscheindauerwerte, berücksichtigt werden 120. Bei von durch Wasserkraft erzeugter regenerativer Energie können alternativ oder zusätzlich entsprechend prognostizierte Wetterdaten berücksichtigt werden 120.
Bei der Prüfung auf ausreichende elektrische Versorgung können die Prognosedaten der generativen Energiequelle und/oder die prognostizierten Wetterdaten mit einem empirisch vorgebbaren Schwellenwert verglichen werden, so dass erst bei Überschreiten des jeweili gen Schwellenwertes der Produktionsprozess gemäß der n+1-ten Prozessstufe durchgeführt wird.
Zusätzlich bzw. optional, wie durch die Strichelung angedeutet, können Vertriebsdaten auf ein Maß an Eilbedürfnis hin geprüft werden 125, so dass in einem eilbedürftigen Vertriebsfall auch bei einer nicht ausreichenden elektrischen Versorgung der Produktionsprozess gemäß der n+1-ten Prozessstufe durchgeführt wird. Die Vertriebsdaten können mit vorgebbaren bzw. vorliegenden Produktionsplanungsdaten verglichen werden und in Abhängigkeit vom dem Vergleichsergebnis der Produktionsprozess gemäß der n+1-ten Prozessstufe durchge- führt wird oder nicht durchgeführt wird.
Bei dem Verfahren kann zudem geprüft werden, ob es sinnvoll ist, bei einem Stromüber- schuss im Netz das Mahlwerk heraufzufahren, auch wenn das Material danach erst zwi- schengelagert werden muss, oder ob es möglich ist, bei einem Strommangel ein Aggregat abzuschalten und stattdessen die Vorräte zu verwenden. Die Zementproduktionsanlage bzw. das Zementwerk wäre damit für den Netzbetreiber ein Lieferant für Regelenergie, mit der sich Schwankungen im Stromnetz ausgleichen lassen. Diese Systemdienstleistung (Sekun- därregelleistung) würde der Netzbetreiber dem Zementhersteller vergüten.
Bei dem Verfahren kann zudem vorgesehen sein, dass die Energieverfügbarkeit und der Energiepreis berechnet werden, wobei genannte Prognose- bzw. Wetterdaten regelmäßig abgerufen bzw. erfasst werden. Dabei kann ein zu erwartender Produktabsatz berechnet werden, wobei aktuelle Produktionsdaten von einem üblichen Produktionsplanungssystem abgerufen bzw. bereitgestellt werden. Die Produktionsplanung kann z.B. auf extern verfügba- ren Vertriebsdaten und/oder ggf. kundenbezogenen Wartungsdaten beruhen. Die so erzeug- ten Daten können schließlich einem Prozessleitsystem zugeführt werden, welches mit einer Prozesssteuerung z.B. einer Zementproduktionsanlage steuerungstechnisch verbunden ist.
Das beschriebene Verfahren kann in Form eines Steuerprogramms für ein elektronisches Steuergerät zum Betrieb bzw. zur Steuerung einer hier betroffenen Produktionsanlage oder in Form einer oder mehrerer entsprechender elektronischer Steuereinheiten (ECUs) realisiert werden.
Die in Figur 2 dargestellte Einrichtung 200 umfasst ein Kommunikationsmodul 205, mittels dessen die von einer externen Datenquelle, in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ein entsprechender Cloud-Dienst 207, abgerufenen Prognosedaten über eine übliche drahtlose und/oder drahtgebundene Datenverbindung 210 empfangen werden. Mittels eines Berech- nungsmoduls oder Datenspeichers 215 werden die für den Vergleich erforderlichen Schwel- lenwerte für die jeweiligen Prognosedaten 210 bereitgestellt.
Die mittels des Kommunikationsmoduls 205 empfangenen Prognosedaten 210 und die von dem Modul 215 bereitgestellten Schwellenwerte werden mittels eines Vergleichers 220 mit- einander verglichen und die Ergebnisse des Vergleichs schließlich einer Prozesssteuerung 225 zugeführt, welche den in Fig. 1 beschriebenen Prozessablauf steuert.
Die in Figur 3 dargestellte, durch eine Strichelung 300 hervorgehobene Einrichtung umfasst ein Energiemanagementmodul 305, welches bereits vorverarbeitete Daten von einem Prog- nosemodul 310 zur Erfassung bzw. Berechnung der Energieverfügbarkeit und des Energie- preises, welches die genannten Prognosedaten 315, Wetterdaten 320 und/oder Prognoseda- ten konventioneller Stromanbieter 323 regelmäßig abruft bzw. erfasst, und von einem den zu erwartenden Produktabsatz berechnenden Absatzprognosemodul 325 erhält. Das Absatz- prognosemodul 325 wiederum erhält erforderliche aktuelle Produktionsdaten von einem übli chen Produktionsplanungssystem 330, wobei die Produktionsplanung auf z.B. extern verfüg- baren Vertriebsdaten 335 und/oder ggf. kundenbezogenen Wartungsdaten 340 beruhen kann.
Das Energiemanagementmodul 305 leitet die von ihm erzeugten Daten an ein übliches Pro- zessleitsystem 345 weiter, welches mit einer Prozesssteuerung 350 z.B. einer Zementpro- duktionsanlage 355 steuerungstechnisch verbunden sein kann. Die Einrichtung 300 kann ferner ein, wie durch die Strichelung angedeutet, optionales Opti- mierungsmodul 360 zur Optimierung der jeweiligen Produktionsanlage umfassen, welches die jeweiligen Prozessparameter während des Betriebs speichert und diese auswertet. Bei einer Mühle können dies z.B. der Hydraulikdruck, die Menge an Frischgut zur Mühle, die Menge an z.B. zu Kühlzwecken oder bei der Zementherstellung eingedüstem Wasser und der Stromverbrauch sein. Über eine längere Betriebszeit zeigt sich dann, unter welchen Be- dingungen die Mühle energetisch optimal betrieben werden kann, d.h. wann die Produktions- leistung im Vergleich zum Stromverbrauch am höchsten ist. Dabei werden diese Daten wei- ter gesammelt und ausgewertet, so dass der optimale Betriebspunkt auch kontinuierlich überprüft werden kann. Denn dieser Betriebspunkt kann sich durch Verschleiß und eventuell wechselnde Rohmaterialien bzw. sich ändernde Anforderungen an das Produkt, z.B. bei Mühlen meist die Feinheit des Produktes, ändern.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betreiben einer Produktionsanlage, in der wenigstens ein elektrische Energie intensiv verbrauchender Produktionsprozess zur Herstellung eines Produktes durchgeführt wird, welcher wenigstens zwei Prozessstufen umfasst, wobei in derje- weiligen Prozessstufe (100) erzeugte Zwischenprodukte in wenigstens einem Zwi- schenlager gelagert werden können, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Versorgung der Produktionsanlage mittels wenigstens einer zeitlich fluktuierenden Energiequelle erfolgt, dass eine für den Produktionsprozess gemäß einer der wenigs- tens zwei Prozessstufen ausreichende elektrische Versorgung geprüft wird (105), dass bei einer ausreichenden elektrischen Versorgung der Produktionsprozess ge- mäß einer der wenigstens zwei Prozessstufen durchgeführt wird (1 10), und dass bei einer für den Produktionsprozess gemäß der einen Prozessstufe nicht ausreichenden elektrischen Versorgung des Produktionsprozesses ein in dem Produktionsprozess gemäß der einen Prozessstufe hergestelltes Zwischenprodukt zwischengelagert wird (1 15).
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass bei der Prüfung der für den Produktionsprozess momentan ausreichenden elektrischen Versorgung Progno- sedaten der zeitlich fluktuierenden Energiequelle berücksichtigt werden (120).
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Prüfung der für den Produktionsprozess momentan ausreichenden elektrischen Versorgung bei von durch Windkraft erzeugter regenerativer Energie entsprechend prognostizier- te Wetterdaten, insbesondere Windvorhersagedaten, und/oder bei von durch Son- nenenergie erzeugter regenerativer Energie entsprechend prognostizierte Wetterda- ten, insbesondere Sonnenscheindauerwerte, und/oder bei von durch Wasserkraft er- zeugter regenerativer Energie entsprechend prognostizierte Wetterdaten, berücksich- tigt werden (120).
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich Vertriebsdaten auf ein Maß an Eilbedürfnis hin geprüft werden und dass in einem eilbedürftigen Vertriebsfall auch bei einer nicht ausreichenden elektri schen Versorgung der Produktionsprozess gemäß der jeweiligen Prozessstufe durchgeführt wird (125).
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Prüfung auf ausreichende elektrische Versorgung die Prognosedaten der regene- rativen Energiequelle und/oder die prognostizierten Wetterdaten mit einem empirisch vorgebbaren Schwellenwert verglichen werden und dass bei Überschreiten des je- weiligen Schwellenwertes der Produktionsprozess gemäß der jeweiligen Prozessstu- fen durchgeführt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertriebsdaten mit vorliegenden Produktionsplanungsdaten verglichen werden und dass in Abhängigkeit vom dem Vergleichsergebnis der Produktionsprozess gemäß der jeweiligen Prozess- stufen durchgeführt oder nicht durchgeführt wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Energieverfügbarkeit und/oder ein Energiepreis berechnet werden, wobei genannte Prognose- bzw. Wetterdaten regelmäßig abgerufen bzw. erfasst werden, dass ein zu erwartender Produktabsatz berechnet wird, wobei aktuelle Produktions- daten von einem üblichen Produktionsplanungssystem abgerufen werden, und dass so erzeugte Daten einem Prozessleitsystem zugeführt werden, welches mit einer Prozesssteuerung der Produktionsanlage steuerungstechnisch verbunden ist.
8. Computerprogramm, welches eingerichtet ist, jeden Schritt eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 durchzuführen.
9. Maschinenlesbarer Datenträger, auf welchem ein Computerprogramm gemäß An- spruch 8 gespeichert ist.
10. Einrichtung (200), welche eingerichtet ist, eine Produktionsanlage, in der wenigstens eine elektrische Energie intensiv verbrauchender Produktionsprozess zur Herstellung eines Produktes durchgeführt wird, welcher wenigstens zwei Prozessstufen umfasst, wobei in der jeweiligen Prozessstufe erzeugte Zwischenprodukte in wenigstens ei- nem Zwischenlager gelagert werden können, mittels eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 zu steuern.
11. Einrichtung (200) nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch ein Kommunikationsmo- dul (205), mittels dessen die von einer externen Datenquelle (207) abgerufenen Prognosedaten (210) empfangen werden, ein Berechnungsmoduls oder Datenspei- cher (215) zur Bereitstellung von für den Vergleich erforderlichen Schwellenwerten für die jeweiligen Prognosedaten (210), und einen Vergleicher (220), mittels dessen die empfangenen Prognosedaten (210) und die von dem Berechnungsmodul bzw. Datenspeicher (215) bereitgestellten Schwellenwerte verglichen werden, um die Er- gebnisse des Vergleichs einer Prozesssteuerung (225) zuzuführen, welche den Pro- zessablauf der Produktionsanlage steuert.
12. Einrichtung (300) nach Anspruch 10 oder 11 , gekennzeichnet durch ein Energiema- nagementmodul (305), welches mit einem Prognosemodul (310) zur Berechnung der Energieverfügbarkeit und des Energiepreises datentechnisch verbunden ist, wobei das Prognosemodul (310) die Prognosedaten (315) und/oder Wetterdaten (320) re- gelmäßig erfasst, und welches mit einem den zu erwartenden Produktabsatz berech- nenden Absatzprognosemodul (325) datentechnisch verbunden ist, und wobei das Absatzprognosemodul (325) mit einem Produktionsplanungssystem (330) datentech- nisch verbunden ist.
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