EP4630746A1 - Verfahren und system zum betreiben und/oder zur dekarbonisierung eines insbesondere industriellen produktionsprozesses - Google Patents

Verfahren und system zum betreiben und/oder zur dekarbonisierung eines insbesondere industriellen produktionsprozesses

Info

Publication number
EP4630746A1
EP4630746A1 EP24709726.4A EP24709726A EP4630746A1 EP 4630746 A1 EP4630746 A1 EP 4630746A1 EP 24709726 A EP24709726 A EP 24709726A EP 4630746 A1 EP4630746 A1 EP 4630746A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
electrical heating
heating device
melt
excess current
electrical
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP24709726.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Thomas PINGER
Lars Baumgürtel
Birgitt BENDIEK
Robert MILL
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.)
Fontaine Holdings NV
Original Assignee
Fontaine Holdings NV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from DE102023109687.7A external-priority patent/DE102023109687A1/de
Application filed by Fontaine Holdings NV filed Critical Fontaine Holdings NV
Publication of EP4630746A1 publication Critical patent/EP4630746A1/de
Pending legal-status Critical Current

Links

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
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C2/00—Hot-dipping or immersion processes for applying the coating material in the molten state without affecting the shape; Apparatus therefor
    • C23C2/003—Apparatus
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C2/00—Hot-dipping or immersion processes for applying the coating material in the molten state without affecting the shape; Apparatus therefor
    • C23C2/003—Apparatus
    • C23C2/0036—Crucibles
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C2/00—Hot-dipping or immersion processes for applying the coating material in the molten state without affecting the shape; Apparatus therefor
    • C23C2/003—Apparatus
    • C23C2/0038—Apparatus characterised by the pre-treatment chambers located immediately upstream of the bath or occurring locally before the dipping process
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C2/00—Hot-dipping or immersion processes for applying the coating material in the molten state without affecting the shape; Apparatus therefor
    • C23C2/04—Hot-dipping or immersion processes for applying the coating material in the molten state without affecting the shape; Apparatus therefor characterised by the coating material
    • C23C2/06—Zinc or cadmium or alloys based thereon
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C2/00—Hot-dipping or immersion processes for applying the coating material in the molten state without affecting the shape; Apparatus therefor
    • C23C2/50—Controlling or regulating the coating processes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C2/00—Hot-dipping or immersion processes for applying the coating material in the molten state without affecting the shape; Apparatus therefor
    • C23C2/50—Controlling or regulating the coating processes
    • C23C2/51—Computer-controlled implementation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C2/00—Hot-dipping or immersion processes for applying the coating material in the molten state without affecting the shape; Apparatus therefor
    • C23C2/50—Controlling or regulating the coating processes
    • C23C2/52—Controlling or regulating the coating processes with means for measuring or sensing
    • C23C2/522—Temperature of the bath
    • 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—Arrangement of monitoring devices; Arrangement of safety devices

Definitions

  • the invention relates to a method and a system for operating and/or decarbonizing a production process, in particular an industrial one, preferably a coating process, such as galvanizing, in which a heated melt is provided and/or kept in stock. Furthermore, the invention also relates to uses of the system in question in heat-consuming processes, preferably in coating processes, such as galvanizing.
  • the present invention relates to the field of operating industrial processes in the context of which the production, processing and/or working of real goods or products takes place on a commercial scale.
  • an "industrial process” is understood to mean the mass production and/or mass manufacture or the commercial processing of real goods or components, in particular for coating workpieces.
  • the present invention is specifically aimed at heat-consuming production processes that are carried out using a heated melt or in which a heated melt is provided and/or kept in stock.
  • Heated melts are preferably understood to mean liquid metal of any type and alloy, which is used in a variety of ways in industrial production processes, for example when casting or coating workpieces.
  • the primary starting point of the invention is coating processes in which a firmly adhering layer of amorphous material is applied to the surface of a workpiece.
  • a heated melt acting as a coating mass is then kept or provided accordingly.
  • a coating process that is particularly frequently used in industry is galvanizing, in particular hot-dip galvanizing, where a metallic, molten zinc coating is applied to protect against rust or corrosion by immersing the workpieces to be coated in the zinc-containing coating mass.
  • the zinc melt held or provided for the coating is kept at a defined process temperature permanently or with a constant supply of heat. This is the only way to ensure targeted process control due to the dependency between the coating quality to be achieved on the one hand and the temperature of the melt or coating mass on the other.
  • the object of the present invention is to avoid the aforementioned disadvantages of the prior art or at least to substantially reduce them.
  • a method and a system for operating and/or decarbonizing an industrial production process are proposed to solve the aforementioned problem, wherein the melt is heated optionally by means of at least one electrical heating device and/or at least one non-electrical heating device.
  • the heating can be operated only electrically, only non-electrically, or in combination - hybrid - simultaneously electrically and non-electrically.
  • the present invention When the present invention was created, it was recognized that there are a number of advantages associated with no longer heating the melt exclusively using a non-electrical or gas-based energy source, but instead using an electrical heating device as an option.
  • the heating of the melt using the electrical heat storage can be carried out in addition to the non-electrical heating device or as a complete replacement for the non-electrical or gas-based heating device.
  • the term "optional” ultimately encompasses three different process procedures or modes in order to provide the entire required power for the industrial process or for heating the melt.
  • the melt can be heated exclusively using the non-electrical heating device (first process mode).
  • the disadvantages associated with the non-electrical or gas-based heating device are avoided or mitigated, in particular with regard to avoiding the emission of climate-damaging emissions such as carbon dioxide.
  • the term "decarbonization” as used in the context of the present invention is to be understood as the avoidance or at least reduction of climate-damaging emissions such as those generated in conventional industrial processes, in particular in the combustion of fossil fuels such as natural gas.
  • climate-damaging emissions is to be understood broadly and ultimately includes all gaseous emissions that have a negative impact on the climate.
  • the present invention is primarily aimed at the avoidance or reduction of carbon dioxide (CO2), but is not limited to this.
  • CO2 carbon dioxide
  • Other gases for example carbon monoxide, methane, nitrous oxide or other climate-effective greenhouse gases (GHG), can also be climate-damaging emissions within the meaning of the teaching of the invention.
  • the invention proposes a hybrid heating concept, whereby an electric heating device is used optionally or at least partially for the permanent heating of the melt, along with the desired decarbonization of the industrial process to be operated.
  • a “permanent” provision or holding of the melt is preferably understood to mean a period of at least one hour, preferably at least five hours, in particular at least ten hours, although depending on the extent of the process, this may also include one day or 24 hours or even several days.
  • the term “permanent” is preferably to be understood broadly.
  • the term "permanent" defines the period of use during which a melt collected in a vessel can be used stationary and/or functionally to coat workpieces without draining or processing as part of a coating process.
  • melt as preferably used in the context of the present invention, is to be understood as a preferably non-ferrous metallic coating mass that is provided and/or held in a vessel or other receiving means and is used stationary or as an immersion bath with at least essentially constant volume or mass over the entire process time, i.e. without being drained from the vessel.
  • a melt in the sense of the present invention is preferably not to be understood as foundry melt for casting or primary molding of corresponding foundry products. Nevertheless, the use of the method according to the invention can also be expedient in foundry processes and is therefore expressly covered by the teaching of the invention.
  • a hybrid heating system consisting of an electrical heating device and a non-electrical heating device is very suitable for industrial production processes, specifically for heating a melt that is kept or provided in particular for a coating process.
  • melts that are to be heated permanently are suitable with regard to a hybrid heat supply because they have a comparatively high thermal inertia or their temperature changes only relatively slowly when heat is supplied and/or removed due to a relatively high mass and heat capacity. This results in a comparatively large time window or a reduced sensitivity in order to implement the process modes described above or the selection of a heating device or the switching from one heating device to another and the hybrid heating system.
  • the heating of a melt used in this process should not be implemented exclusively by gas-based or non-electrical heating, but at least partially or optionally also by means of an electrical heating device, whereby parallel or simultaneous heating can also be carried out by means of the non-electrical and electrical heating device.
  • the optional heating provided for in the process by means of the electric heating device and/or the non-electric heating device ensures that, even if the heat input into the melt to be heated is briefly interrupted, there are no losses to be feared in terms of process technology compared to the non-electric or gas-based heating known from the prior art.
  • the invention also provides that, in order to operate the electrical heating device, a surplus current arising in a power grid, in particular in the public power grid, is at least partially extracted and used to operate the electrical heating device.
  • surplus electricity is electrical power that is only available with fluctuating output over time and can therefore lead to an oversupply of electricity or an overcapacity in the power grid.
  • situations are increasingly occurring in which electrical energy or electricity cannot be fully consumed due to the oversupply of the surplus electricity in the power grid.
  • Surplus electricity i.e. electrical energy with fluctuating output over time
  • the underlying energy sources namely sun, wind and water
  • fluctuating output and overcapacities or periods of surplus electricity are ultimately unavoidable.
  • a short-term High wind levels can lead to an oversupply of electricity or to power peaks in the power grid, accompanied by the problem that the resulting surplus electricity must be diverted or consumed in order to avoid overloading the power grid or the resulting damage.
  • power grid as used in the context of the present invention is preferably to be understood broadly and in electrical power engineering refers to a network for the transmission and distribution of electrical energy. It consists of electrical lines such as overhead lines and underground cables as well as the associated facilities such as switching and transformer stations. Large, spatially adjacent and electrically connected power grids are referred to as interconnected grids, small, spatially separated power grids as island grids.
  • the method according to the invention is particularly preferably used in power grids that obtain their electrical energy at least partially from renewable energies.
  • the invention now creates the possibility of using the electrical energy from surplus electricity specifically to operate an electrical heating device or to heat a melt.
  • the solution according to the invention also makes a contribution to avoiding overloading of the power grid and to the efficient use of surplus electricity, which comes primarily from renewable energy sources, i.e. solar, wind and hydropower.
  • the solution according to the invention thus provides a specifically coordinated concept, whereby two findings are purposefully combined which are already advantageous in themselves with regard to decarbonization and/or the avoidance of climate-damaging emissions such as carbon dioxide.
  • Decarbonization is already achieved through the use of the electric heating system.
  • This basic idea is then completed or supplemented by the further requirement that surplus electricity is used to operate the electric heating system.
  • This surplus electricity comes primarily from renewable energy sources, so that the surplus electricity itself also comes from an emission-free source. In this way, an emission-free process chain can be realized while completely avoiding the formation of climate-damaging emissions such as carbon oxides.
  • the solution according to the invention proposes a contribution to the decarbonization of an industrial production process using a melt, while at the same time providing for the integration of surplus electricity or electricity generated from renewable energies and thus also addressing aspects of grid serviceability or relieving the load on the electricity grid.
  • the occurrence of excess current can be detected in the power grid via a detection device. This can preferably be done automatically, in particular frequency and/or internet-controlled.
  • a detection device is also understood to be a receiving device for a signal or the like that the grid operator issues manually or automatically and is received by the receiving device. After the excess current is detected, the electrical heating device and the non-electrical heating device are controlled by means of a control and/or regulating device.
  • the electrical and non-electrical heating devices are preferably regulated/controlled, wherein the excess current is used to operate the electrical heating device.
  • the surplus current is preferably used in such a way that the heated melt is provided and/or kept in stock in a defined process temperature range, in particular permanently or over the entire production cycle.
  • the use of the surplus electricity to operate the electrical heating and the shutdown of the non-electrical heating as required is preferably carried out in such a way that the production process is carried out continuously during the electrical heating.
  • the use of the surplus electricity to operate the electrical heating device is not associated with any impairment compared to the conventional non-electrical or gas-based heating, so that the use of the hybrid heating using the electrical heating device does not lead to any restrictions on the production process, which is continued continuously during the change from one process mode to another.
  • the heating power of the non-electrical heating device is reduced and the operation of the electrical heating device is started, preferably wherein the operation of the non-electrical heating device is terminated and the heating of the melt takes place exclusively by the electrical heating device using excess current.
  • Such a process is particularly advantageous if surplus electricity is foreseeably available over a longer period of time.
  • the process can explicitly provide that the production process is carried out continuously using only the electrical heating or the surplus electricity in this regard.
  • the non-electrical heating device can then be permanently deactivated, which leads to maximum decarbonization and/or avoidance of the formation of climate-damaging emissions such as carbon oxides, since the use of fossil fuels is completely eliminated.
  • the non-electrical heating device can be switched on again. It is also possible to shut down the electrical heating device completely or to heat the non-electrical heating device exclusively. This always takes place when it is foreseeable that and when the surplus electricity will no longer be available.
  • the reduction or shutdown of the non-electrical heating device and/or the startup or activation of the electrical heating device can be carried out continuously or discontinuously.
  • the shutdown or startup is preferably automatically coordinated so that the reduction of the non-electrical heating device is compensated by a corresponding startup of the electrical heating device and the total heat energy introduced into the melt and/or process temperature is maintained at least essentially constant over the entire production process. This avoids undesirable fluctuations in the processing temperature of the melt. This is ultimately made possible by controlling/regulating the temperature of the melt, which is measured continuously.
  • a transition period can be defined, the beginning of which is defined with the detection of the excess current and/or with the start of the shutdown of the non-electrical heating device and/or the start of the startup of the electrical heating device.
  • the end of the transition period is defined by the complete shutdown of the non-electrical heating device and/or the complete startup of the electrical heating device.
  • the transition time in question is preferably freely selectable, although due to the comparatively high heat capacity of the melt, flexible, adaptable transition times are in principle possible. However, these also depend on the volume of the melt bath as a whole.
  • shorter or longer transition times are also possible, particularly depending on the excess current available and the amount of melt bath.
  • the heating of the melt before the occurrence and/or detection of the excess current can preferably be carried out exclusively by the non-electrical heating device and the electric heating device can be connected to the non-electrical heating device when the excess current occurs and/or is detected.
  • connection or activation of the electric heating device is specifically coupled with the occurrence of excess current, whereby at times when there is no excess current in the power grid, heating is carried out exclusively by the non-electrical heating device. It is understood, however, that it is also possible to operate the electric heating device without excess current, for example by directly connecting it to any electrical power source that is preferably fed at least partially, in particular completely, from renewable energy sources.
  • the non-electrical heating device is operated with a CCh-free or at least natural gas and/or CO2-reduced fuel gas, in particular pure hydrogen or a hydrogen-containing fuel gas, for example a fuel gas in the form of a natural gas-hydrogen mixture.
  • a CCh-free or at least natural gas and/or CO2-reduced fuel gas in particular pure hydrogen or a hydrogen-containing fuel gas, for example a fuel gas in the form of a natural gas-hydrogen mixture.
  • decarbonization is achieved not only by using an electric heating device, but also by modifying the non-electric heating device, whereby hydrogen is used or mixed in instead of pure fossil fuel gas or natural gas.
  • the combustion products of hydrogen are primarily water vapor, which is beneficial in terms of avoiding the formation of climate-damaging emissions such as carbon oxides, which are produced when natural gas is burned.
  • the hydrogen is mixed with a carrier gas, preferably natural gas, in order to obtain the hydrogen-containing fuel gas.
  • a carrier gas preferably natural gas
  • the carrier gas or natural gas in question is preferably at least partially a process gas arising in an industrial process, such as mine gas and/or coke oven gas.
  • the hydrogen content in the mixed gas is preferably at least 20%, preferably at least 40%, particularly preferably at least 60%, very particularly preferably at least 80% or 90%.
  • a hydrogen-containing fuel gas is used to operate the non-electrical heating devices, wherein the fuel gas contains at least 1 to 100 vol.%, preferably 25 to 100 vol.%, particularly preferably 50 to 100 vol.%, of hydrogen.
  • the non-electrical heating device is operated exclusively and/or 100% with hydrogen, preferably pure and/or green hydrogen.
  • green hydrogen is used exclusively to operate the non-electrical heating system and/or as pure fuel gas or in part in a mixed gas, for example with natural gas.
  • Green hydrogen is produced by electrolysis of water, with the electricity required for this being used from renewable energy sources.
  • the decarbonization of the process according to the invention is improved and the sustainability of the process according to the invention is further optimized, in particular in addition to the hybrid heating by means of electrical heating energy.
  • the heat coupling into the melt or the heating of the melt can preferably be carried out at least partially indirectly via a vessel receiving the melt, preferably with a furnace chamber surrounding the vessel being heated by means of the electrical and/or non-electrical heating device.
  • the furnace chamber is heated by means of the non-electrical heating device and the melt is additionally heated directly by means of a preferably heated by an electrical heating device arranged in the melt.
  • the non-electrical heating device can preferably be used in the furnace chamber to heat the boiler wall, whereas the electric heating device can be accommodated in the boiler for direct contact with the melt. This prevents in particular the electric heating device from coming into contact with potentially harmful exhaust gases during the non-electrical heating device or the combustion of the fuel gas.
  • the non-electrical heating device and the electric heating device together in the furnace chamber.
  • the preferably rod-shaped electric heating device can be provided with a protective layer in order to provide protection against the exhaust gases emitted by the non-electrical or gas-based heating device.
  • the heating of the melt is preferably carried out in such a way that the melt is kept at a process temperature which is at least 10 °C, preferably at least 20 °C, in particular at least 30 °C, above a melting temperature of the melt.
  • the melt is kept at a process temperature in the range of 200 °C to 1200 °C, preferably in the range of 350 °C to 470 °C or preferably in the range of 510 °C to 610 °C.
  • the melt can be kept at a process temperature in the range from 400 °C to 600 °C, preferably in the range from 415 °C to 470 °C, or preferably in the range from 510 °C to 610 °C, in particular 520 °C to 600 °C.
  • the temperature ranges in question are preferred in galvanizing processes, with the increased temperature range of 510 °C to 610 °C or 520 °C to 600 °C being provided for in high-temperature galvanizing.
  • the melt is provided and/or kept as an immersion bath, in particular a galvanizing bath, in a metallic coating or coating process, wherein at least one component to be coated or covered with the melt is immersed in the melt and removed from the melt.
  • the melt or the immersion bath is particularly preferably provided as a metallic molten alloy.
  • a molten zinc alloy is preferably provided or used as the melt.
  • the method according to the invention has proven to be particularly useful for hot-dip galvanizing or hot-dip galvanizing, in particular batch galvanizing, wherein a material to be coated or a component to be coated, preferably steel or a steel component, is dipped continuously (for example strip and wire) or piece by piece (for example components) at temperatures of about 400 °C to 600 °C in a heated tank with liquid zinc alloy, so that it forms a resistant alloy layer of iron and zinc on the steel surface or material surface and a very firmly adhering zinc or zinc alloy layer on top of that.
  • the method according to the invention enables a continuous production process, in particular a hot-dip galvanizing process, whereby, compared to the heating of the melt based solely on non-electrical or gas-based heating known from the prior art, there are no losses in terms of the temperature and/or quality of the melt to be kept. Nevertheless, as described in detail above, the process according to the invention enables significantly improved sustainability and grid serviceability to be achieved due to the associated decarbonization.
  • the process according to the invention makes it possible to provide and/or maintain the melt at the process temperature permanently and/or for a period of at least 1 hour, preferably at least 5 hours, particularly preferably at least 10 hours.
  • the melt is also provided in a mass or dimension customary for hot-dip galvanizing or industrial galvanizing, preferably with a mass of 200 to 800 t (tonnes), preferably 250 to 750 t, in particular 300 to 700 t, in particular in a vessel intended for the industrial coating process or for industrial galvanizing.
  • the method according to the invention is not limited to galvanizing or coating methods.
  • teaching of the invention can be applied to all coating methods known from the prior art, provided that a heated melt is used or kept available as the relevant coating mass.
  • the present invention accordingly also relates to a system for operating and/or decarbonizing a preferably industrial production process using a melt, preferably a coating process such as galvanizing, wherein a boiler is provided for a melt to be received and heated.
  • the system according to the invention has at least one electrical heating device and at least one non-electrical heating device.
  • the system has at least one control and/or regulating device for selectively heating the melt by means of the electrical heating device and/or the non-electrical heating device, wherein the control and/or regulating device is additionally designed to at least partially remove excess current arising in a power network and to operate the electrical heating device with the excess current removed.
  • the control and/or regulating device is additionally designed to at least partially remove excess current arising in a power network and to operate the electrical heating device with the excess current removed.
  • the control and/or regulating device has a detection device for detecting the occurrence of excess current and a control and/or regulating device for operating the electrical heating device and the non-electrical heating device after the detection of excess current.
  • the detection device can also be designed as a receiving device for receiving signals or the like that are sent by the network operator or third parties when excess current occurs.
  • the control and/or regulating device can comprise the detection device and the control and/or regulating device as a higher-level assembly. It goes without saying that it is also possible in principle to design the detection device and the control and/or regulating device as modules or structural units that are separate from one another in terms of the device and are connected to one another in terms of signaling. The control and/or regulating device is then to be understood in an abstract manner or as a non-device-related, higher-level designation of the structural units in question.
  • a furnace chamber which at least partially surrounds the boiler, preferably wherein the electrical heating device and/or the non-electrical heating device is/are designed to heat the furnace chamber and/or is/are arranged on or in the furnace chamber, in particular wherein the non-electrical heating device is/are arranged on or in the furnace chamber and the electrical heating device for contacting the melt and/or for directly heating the melt is/are arranged in the interior of the boiler and/or the electrical heating device is/are arranged on or in the area of the outside or outer wall of the boiler.
  • the spatially separate arrangement of the electrical heating device relative to the non-electrical heating device prevents the electrical heating device from contacting combustion gases emitted by the non-electrical heating device. In this way, the electrical heating device is protected from harmful exhaust gases from the non-electrical Heating equipment is spared, which enables long-term reliable operation of the hybrid heating system.
  • the present invention also relates to the use of the system according to the invention for reducing and/or avoiding the formation of climate-damaging emissions, such as carbon oxides, in the generation of process heat when operating a heat-consuming process, preferably a coating process, such as galvanizing, in particular hot-dip galvanizing.
  • climate-damaging emissions such as carbon oxides
  • the present invention also relates to the use of the system according to the invention for removing excess current when current peaks occur and/or for increasing grid serviceability in a heat-consuming process, preferably a coating process, such as galvanizing, in particular hot-dip galvanizing.
  • a coating process such as galvanizing, in particular hot-dip galvanizing.
  • the use of the system according to the invention is also possible both for reducing and/or avoiding the formation of climate-damaging emissions, such as carbon dioxide, and for removing excess electricity when power peaks occur and/or for increasing grid serviceability, i.e. a combination of the above usage aspects.
  • the uses in question relate to coordinated or mutually reinforcing aspects of decarbonization, since operating the electrical heating device using excess electricity initially reduces the proportion of the non-electrical heating device, whereby the use of the excess electricity, which comes primarily or exclusively from renewable energy sources, brings about a further increase in decarbonization or increased sustainability.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a system according to the invention and the sequence of the method according to the invention and
  • Fig. 2 is a perspective view of a melt held in a vessel for schematically illustrating the hybrid heating process in the sense of the method or system according to the invention.
  • Fig. 1 schematically shows a system 1 according to the invention for operating and/or decarbonizing an industrial production process using a melt 2.
  • the melt 2 is preferably designed as an immersion bath, in particular a galvanizing bath, or is used in a metallic coating process, such as galvanizing, in particular hot-dip galvanizing. Accordingly, the heated melt 2 is provided and/or kept in stock as a coating mass.
  • the system 1 has at least one non-electrical heating device 4, preferably a plurality of non-electrical heating devices 4 are provided.
  • the non-electrical heating device 4 is preferably designed to burn a fuel gas or as a gas burner in order to enable the heat to be introduced into the melt 2 to be heated.
  • the non-electrical heating device 4 is connected to an energy source 5, preferably a gas source.
  • an energy source 5 preferably a gas source.
  • fuel gas for example natural gas, in particular natural gas mixed with hydrogen or pure hydrogen, can be made available for operating the non-electrical heating device 4.
  • a further upstream hydrogen source can be provided in order to add hydrogen to the gas from the energy source 5, preferably natural gas, as a further gaseous component, or vice versa.
  • the hydrogen is preferably generated from renewable energy sources, which has been produced by electrolysis of water, whereby the water has been broken down into hydrogen and oxygen using renewable electricity. In this respect, it is preferably so-called "green hydrogen".
  • the system 1 has at least one electrical heating device 6, preferably a plurality of electrical heating devices 6.
  • the electrical heating device 6 can accordingly be connected to a power grid 7.
  • the power grid 7 is preferably a public power grid.
  • the power grid 7 or the electrical energy source preferably contains electricity produced at least partially from renewable energies, which is fed into the power grid 7 as required.
  • the system 1 has a control and/or regulating device 8 for selectively heating the melt 2 by means of the non-electrical heating device 4 and/or the electrical heating device 6.
  • the control and/or regulating device 8 is designed to at least partially remove an excess current occurring in the power grid 7 and to operate the electrical heating device 6 with the removed excess current.
  • the control and/or regulating device 8 has a detection device 9 for detecting the occurrence of the excess current and a control and/or regulating device 10 for operating the electrical heating device 6 and the non-electrical heating device 4 after the detection of the excess current.
  • a detection device 9 is also understood to be a device that is used to receive signals that are sent by the network operator or a third party, whereby the transmission of a signal occurs automatically when there are current peaks or excess current in the network or when such a situation is imminent. Signals of this type are automatically generated and sent by the network operator or third parties.
  • the detection device 9 and the control and/or regulating device 10 are preferably connected to one another by signal technology.
  • This signaling connection preferably follows in such a way that when the excess current of the detection device 9 occurs and/or is detected, the control and/or regulating device 10 is activated to remove excess current from the power grid 7.
  • the control and/or regulating device 10 is designed to control or regulate the non-electrical heating device 4 and the electric heating device 6.
  • the control and/or regulating device 10 is connected to the non-electrical heating device 4 and the electric heating device 6 in terms of signals.
  • the control and/or regulating device 10 is designed to regulate the heat energy introduced into the melt 2 by the non-electrical heating device 4 and the electric heating device 6, depending on the excess current occurring in the power grid 7 and/or the temperature of the melt 2.
  • the regulation or control is preferably carried out in such a way that a constant heat input into the melt 2 occurs over the entire occurrence of the excess current and/or a constant, defined process temperature of the melt 2 is ensured.
  • control and/or regulating device 10 is designed to increase the power of the electrical heating device 6 when the excess current occurs and/or is detected and, preferably at the same time, to reduce the power of the non-electrical heating device 4, preferably in such a way that the total heat input coupled into the melt 2 by the combination of the non-electrical heating device 4 and the electrical heating device 6 or the associated process temperature remains constant.
  • control and/or regulating device 10 is also designed to adapt the heat input into the melt 2 introduced by the heating devices 4, 6 accordingly in order to ensure a constant heat input or a constant process temperature even in the event of fluctuating excess current.
  • a process temperature in the melt 2 is preferably continuously measured as a controlled variable and compared with a reference variable or the desired process temperature of the melt 2. Due to any control deviation that may occur, the power input of the heating devices 4, 6 is then adjusted by means of the control and/or regulating device 10.
  • the control and/or regulating device 10 is also designed to shut down the non-electrical heating device 4 completely or to heat the melt 2 exclusively by means of the electrical heating device 6. The heating of the melt 2 is then preferably carried out exclusively by means of the electrical heating device 6 or by using only excess electricity.
  • the heating of the melt 2 can also be carried out by exclusively operating the non-electrical heating device 4 by means of the control and/or regulating device 10, wherein the control and/or regulating device 10 is accordingly designed to completely shut down the electrical heating device 6.
  • system 1 can also have a further or second (not shown) control and/or regulating device, which can be provided in addition to the described or shown control and/or regulating device 8.
  • This further or second control and/or regulating device can be provided in particular for operating the process if there is no excess power and/or is designed independently of the power grid 7 to operate the process or the non-electrical heating device 4 and/or the electric heating device 6. Accordingly, the described or first control and/or regulating device 8 is only used when excess power is present or detected in the power grid 7.
  • At least one switching device can be provided in order to effect the switching between the non-electrical heating device 4 and the electric heating device 6.
  • This switching device is preferably also connected in terms of signals to the control and/or regulating device 8 or the control and/or regulating device 10.
  • the melt 2 is thus heated optionally by means of the electrical heating device 6 and/or the non-electrical heating device 4.
  • the term ultimately defines three different process modes, according to which the heating is carried out exclusively by the non-electrical heating device 4 (first process mode), both by the non-electrical heating device 4 and by the electrical heating device 6 (second process mode) or exclusively by the electrical heating device 4 (third process mode).
  • the heating devices 4, 6 are connected by signaling to the control and/or regulating device 8 of the system 1.
  • the control of the heating devices 4, 6 via the control and/or regulating device 8 is carried out in particular in such a way that a defined process temperature or a predetermined temperature interval of the melt 2 is specified as a target or controlled variable.
  • the control and/or regulating device 8 is preferably supplied continuously or at intervals with actual temperatures of the melt 2, on the basis of which the optional control of the heating devices 4, 6 then takes place in order to provide the melt 2 permanently at the defined process temperature.
  • system 1 can have temperature sensors or thermocouples (not shown) in the area of the boiler 3 and/or the melt 2 in order to determine the actual temperature of the melt 2.
  • decarbonization can take place compared to processes operated only with a non-electrical heating device 4.
  • excess current occurs in the power grid 7, it is at least partially taken from the power grid 7 and used to operate the electrical heating device 6.
  • the presence of the excess current is detected by the detection device 9, preferably automatically, with the result that the regulation or control of the heating devices 4, 6 takes place taking into account the excess current taken.
  • control and/or regulating device 10 of the control and/or regulating apparatus 8 is initially designed to operate the electrical heating device 6 using the surplus power taken from the power grid 7.
  • control and/or regulating device 10 is also designed to reduce or shut down the heating output of the non-electrical heating device 4 as a result of the excess current that occurs and the heating operation taken over by the electrical heating device 6.
  • the control of the heating devices 4, 6, in particular the start-up of the electrical heating device 6 and the shut-down of the non-electrical heating device 4, continues to take place under the condition of maintaining a defined process temperature of the melt 2, which continues to be processed as a reference variable or target variable in the control and/or regulating device 8 or the control and/or regulating device 10.
  • the heating of the melt 2 before the excess current is detected is initially carried out exclusively by the non-electrical heating device 4, which is operated or fed by the energy source 6.
  • the electrical heating device 6 is then switched on, with the result that the heat input previously provided exclusively by the non-electrical heating device 4 is now initially taken over partially or completely by the electrical heating device 6.
  • the exhaust gas pollution emitted by the non-electrical heating device 4 is reduced, along with the decarbonization of the industrial production process achieved according to the method.
  • the use of the surplus electricity is associated with an improvement in the grid serviceability in the power grid 7, since the overloading of the power grid 7 that would otherwise be expected if the surplus electricity were not taken up is avoided or compensated for.
  • connection and/or design of the heating devices 4, 6 for heating the melt 2 is preferably carried out in such a way that the process can be carried out independently of one another over the entire process time or using only the non-electrical heating devices 4 or the electric heating devices 6, whereby a combined use of the heating devices 4, 6 with any proportion of the heat input introduced by the heating devices 4, 6 is also possible.
  • the electrical heating devices 6 are designed and/or arranged such that the heating of the melt 2 in the range of a defined process temperature is possible exclusively by electrical heating, preferably using only surplus electricity from the power grid 7.
  • a furnace chamber 11 is provided which at least partially surrounds the boiler 3 and is preferably designed as an annular chamber and/or surrounds the boiler 3 on all sides.
  • the furnace chamber 11 is delimited on the inside by the wall of the boiler 3 and on the outside by a furnace housing 12, wherein the boiler 3 is accommodated in the furnace housing 12.
  • a plurality of rod-shaped electrical heating devices 6 are provided, which are introduced or immersed in the melt 2 for direct contact or heating.
  • the electrical heating devices 6 can be arranged, preferably in pairs on opposite end faces of the vessel 3, within the melt 2, in particular in a perpendicular or vertical orientation in the state of use.
  • non-electrical heating devices 4 are provided, which are designed as gas burners.
  • the non-electrical heating devices 4 are designed to heat the furnace chamber 11 and/or are arranged on or in the furnace chamber 11, preferably in the region of at least one side wall, in particular the longitudinal side wall, of the boiler 3.
  • non-electrical heating devices 4 and/or electrical heating devices 6 can also be arranged on opposite side walls, in particular the longitudinal side walls, of the boiler 3.
  • non-electrical heating devices 4 are arranged and/or accommodated on or in the furnace housing 12, preferably in the region of at least one side wall, in particular the longitudinal side wall, of the furnace housing 12.
  • At least one electrical heating device 6 can also be arranged in the furnace chamber 11.
  • the electrical heating device 6 can preferably be designed as an electrical and/or flexible heating conductor, wherein the length of the electrical conductor exceeds the length of the vessel 3 by a multiple.
  • the electrical heating device 6 is preferably assigned to the same side wall, in particular the longitudinal side wall, of the boiler 3 as the non-electrical heating devices 4.
  • the electrical heating device 6 is arranged in a loop-like or meander-like manner around the non-electrical heating devices 4, preferably in such a way that the non-electrical heating devices 4 are surrounded by the electrical heating device 6.
  • non-electrical heating devices 4 or the electric heating device 6 can also be provided.
  • non-electrical heating devices 4 or heating burners are decoupled from the boiler 3 or furnace chamber 11 and/or are arranged in a heating chamber upstream of the boiler 3.
  • This heating chamber then functions as an upstream heating chamber in which already heated heating air or heated heating gas is provided.
  • the electrical heating devices 6 are decoupled from the non-electrical heating devices 4, immersed directly in the melt 2 and/or arranged in the furnace chamber 11.
  • the electrical heating device(s) 6 are decoupled from the boiler 3 or furnace chamber 11 and/or are arranged in a further heating chamber or in the heating chamber upstream of the boiler 3.
  • This one or more heating chambers then functions as an upstream heating chamber in which already heated heating air or heated heating gas is provided.
  • the non-electrical heating devices 4 are designed and/or arranged decoupled from the electrical heating devices 6 for heating the furnace chamber 11. By providing heated heating air in the upstream heating chamber, this heated heating air can be introduced into the furnace chamber 11 with rapid reaction, provided that, preferably starting from the electrical heating of the melt 2, the heating of the melt 2 is switched back to using the non-electrical heating device 4.
  • the furnace chamber 11 can be flooded with already heated heating air in order to ensure that production operations or the defined process temperature of the melt 2 are maintained.
  • the furnace housing 12 can have a corresponding inlet and/or outlet line 13 in order to introduce a heated heat flow or heated heating air into the furnace chamber 11 as required and/or to discharge used process air from the furnace chamber 11.
  • the indirect heat coupling by means of the at least one electrical heating device 6 and/or the at least one non-electrical heating device 4 arranged in the furnace chamber 11 takes place in particular in such a way that the air in the furnace chamber 11 is heated via a side wall, in particular a long side wall, and the wall of the boiler 3 is heated via this.
  • the melt 2 is initially heated on the wall side. Due to the associated heat convection, a flow or circulation of the melt 2 heated on the wall side takes place in the interior of the boiler 3, so that heated melt 2, starting from the wall sections, also reaches the interior of the boiler 3 and in this way a mixing of heated melt 2 takes place within the boiler 3.
  • the electrical heating devices 6 are preferably specially insulated or protected from the aggressive exhaust air of the non-electrical heating devices 4, in particular if the heating devices 4, 6 are arranged or accommodated together in the furnace chamber 11.
  • the supply and/or discharge line 13 is preferably closable as required and/or provided with a corresponding exhaust flap.
  • thermocouples or sensors attached to the boiler 3 are provided in order to preferably continuously monitor and/or record the temperature of the melt 2 and/or the heating temperature in the furnace chamber 11.
  • the temperature in the boiler 3 and/or in the furnace chamber 11 thus preferably functions as a controlled variable which is fed to the control and/or regulating device 8 or the control and/or regulating device 10 for the purposes of regulating the non-electrical heating device 4 and the electric heating device 6.
  • the heat input of the electric heating device 6 and/or the non-electrical heating device 4 is regulated or adjusted as required in order to avoid system-critical temperatures and/or to keep the melt 2 permanently at a defined process temperature.
  • the control and/or regulating device 8 can have a switching device in order to implement a required switching of the heating operation between the electrical heating device 4 and the non-electrical heating device 6.
  • the switching device can have corresponding switching and/or line components for this purpose.
  • the non-electrical heating devices 4 are preferably arranged as a matrix and/or in a fixed group pattern in the furnace chamber 11.
  • the non-electrical heating devices 4 are preferably assigned to a side wall, in particular a longitudinal side wall, of the boiler 3.
  • non-electrical heating devices 4 and/or the electrical heating devices 6 can be assigned to opposite side walls, in particular longitudinal side walls, of the boiler 3.
  • the non-electrical heating devices 4 and/or the electrical heating devices 6 can be controlled or regulated individually or in defined zones or groups, in particular by means of the control and/or regulating device 8 and/or the control and/or regulating device 10.
  • control and/or regulating device 8 in particular the detection device 9, receives an impulse from the power grid 7, in particular frequency- or internet-controlled, that there is excess current in the power grid 7, the heat output or combustion output of the non-electrical heating devices 4 is reduced by switching off individual or several non-electrical heating devices 4 and/or reducing the heat output or combustion output. Burning power of one or more non-electrical heating devices 4 is reduced. In parallel, the electric heating drive is taken up via the electric heating devices 6, whereby the surplus power taken from the power grid 7 is used for this purpose.
  • the non-electrical heating operation can be shut down completely so that no heat is coupled in via the non-electrical heating devices 4.
  • the melt 2 is then preferably heated exclusively via the electrical heating devices 6 which are incorporated in the melt 2.
  • the entire melt 2 is then evenly warmed or heated by means of the electrical heating devices 6 through convection and mixing in the boiler 3.
  • the heating of the melt 2 via the electrical heating devices 6 can take place in such a way that the melt 2 is heated above the process temperature or a defined process temperature interval, preferably by at least 20 °C, preferably at least 40 °C above the process temperature. After this overheating, the heating by means of the non-electrical heating devices 4 and/or the electrical heating devices 6 can then be reduced or stopped completely, such that the melt 2 cools down again from the overheating above the process temperature. If the melt 2 reaches or falls below the process temperature again, the melt 2 can be heated again by means of the non-electrical heating devices 4 and/or the electrical heating devices 6, preferably exclusively by means of the electrical heating devices 6, preferably whereby the melt 2 is again heated above the process temperature in the above sense.
  • heating intervals can be defined between which no heating of the melt 2 takes place.
  • the melt 2 is again heated, preferably exclusively by means of the electrical heating device 6.
  • the duration of the heating intervals can be flexibly adjusted and is preferably carried out in such a way that continuous operation of the coating process is possible both within the heating intervals and between the heating intervals.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Coating With Molten Metal (AREA)

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben und/oder zur Dekarbonisierung eines insbesondere industriellen Produktionsprozesses, vorzugsweise eines Beschichtungsprozesses, wie einer Verzinkung, in welchem eine beheizte Schmelze bereitgestellt und/oder vorgehalten wird, wobei die Beheizung der Schmelze wahlweise mittels wenigstens einer elektrischen Beheizungseinrichtung und/oder wenigstens einer nicht-elektrischen Beheizungseinrichtung erfolgt, und wobei bei Auftreten eines im Stromnetz anfallenden Überschussstroms dieser dem Stromnetz zumindest teilweise entnommen und zum Betreiben der elektrischen Beheizungseinrichtung genutzt wird.

Description

Verfahren und System zum Betreiben und/oder zur Dekarbonisierung eines insbesondere industriellen Produktionsprozesses
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zum Betreiben und/oder zur Dekarbonisierung eines insbesondere industriellen Produktionsprozesses, vorzugsweise eines Beschichtungsprozesses, wie einer Verzinkung, in welchem eine beheizte Schmelze bereitgestellt und/oder vorgehalten wird. Darüber hinaus betrifft die Erfindung auch Verwendungen des in Rede stehenden Systems bei wärmeverbrauchenden Prozessen, vorzugsweise bei Beschichtungsprozessen, wie Verzinkungen.
Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet des Betreibens industrieller Prozesse, in deren Rahmen die Fertigung Be- und/oder Verarbeitung von Realgütern bzw. Produkten in gewerblichem Maßstab erfolgt. Unter einem "industriellen Prozess" ist im Sinne der vorliegenden Erfindung somit die Massenproduktion und/oder Massenfertigung bzw. die gewerbsmäßige Verarbeitung von Realgütern bzw. Bauteilen, insbesondere zur Beschichtung von Werkstücken, zu verstehen.
Bei industriellen Produktionsprozessen fällt zwangsläufig ein hoher Prozesswärmebedarf an, gerade bei Wärmebehandlungs- bzw. Verfahrensschritten, durch welche die Werkstoffeigenschaften und/oder -beschaffenheit geändert werden sollen. Aufgrund des gewerblichen Maßstabs der in Rede stehenden Produktionsprozesse liegt es dabei in der Natur der Sache, dass die hierzu erforderliche Wärme- bzw. Energieversorgung kontinuierlich und/oder über den gesamten Produktionsprozess, und somit dauerhaft, sichergestellt sein muss.
In diesem Zusammenhang zielt die vorliegende Erfindung gezielt auf wärmeverbrauchende Produktionsprozesse ab, die unter Verwendung einer beheizten Schmelze erfolgen bzw. in welchen eine beheizte Schmelze bereitgestellt und/oder vorgehalten wird. Unter beheizten Schmelzen ist vorzugsweise flüssiges Metall jeglicher Art und Legierung zu verstehen, welches in industriellen Produktionsprozessen in vielfältiger Weise eingesetzt wird, beispielsweise beim Gießen oder Beschichten von Werkstücken. Den primären Ausgangspunkt der Erfindung bilden jedoch Beschichtungsprozesse, in denen eine festhaftende Schicht aus formlosem Stoff auf die Oberfläche eines Werkstückes aufgetragen wird. Zu diesem Zweck wird dann eine als Beschichtungsmasse fungierende beheizte Schmelze dementsprechend vorgehalten bzw. bereitgestellt.
Ein in der Industrie besonders häufig eingesetztes Beschichtungsverfahren ist das Verzinken, insbesondere Feuerverzinken, wobei ein metallischer, schmelzförmiger Zinküberzug zum Schutz vor Rost oder Korrosion durch Eintauchen der zu beschichtenden Werkstücke in die zinkhaltige Beschichtungsmasse aufgebracht wird.
Gerade beim Verzinken ist es entscheidend, dass die für die Beschichtung vorgehaltene bzw. bereitgestellte Zinkschmelze dauerhaft bzw. unter konstanter Wärmezufuhr auf einer definierten Prozesstemperatur gehalten wird. Nur so lässt sich aufgrund der Abhängigkeit zwischen der zu erreichenden Beschichtungsqualität einerseits und der Temperatur der Schmelze bzw. Beschichtungsmasse andererseits eine zielgerichtete Prozessführung gewährleisten.
Der Prozesswärmebedarf in Produktionsprozessen der eingangs genannten Art, insbesondere in Beschichtungsprozessen bzw. in der Verzinkung, wird in der Praxis durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe, zumeist von Gas, wie Erdgas, abgedeckt. So erfolgt in der Praxis die Beheizung eines Verzinkungsofens mit der darin befindlichen Beschichtungs- bzw. Verzinkungsmasse über mit Erdgas betriebenen Gasbrennern.
Der Einsatz von Erdgas in industriellen Prozessen ist aufgrund des damit verbundenen Ausstoßes von klimaschädlichen Emissionen, wie Kohlenstoffdioxiden, allerdings problematisch. Zusätzlich zum Gesichtspunkt der damit verbundenen mangelnden Nachhaltigkeit bzw. Klimabelastung lässt sich auch eine Vielzahl geopolitischer Aspekte anführen, die gegen den Einsatz von Erdgas als Energieträger sprechen, gerade in industriellen Prozessen. Die obigen Nachteile fallen in den in Rede stehenden industriellen Prozessen unter Einsatz einer Schmelze besonders schwer ins Gewicht, da die dauerhafte Erhitzung bzw. Beheizung der Schmelze auf eine vergleichsweise hohe Prozesstemperatur einen besonders hohen Energiebedarf und letztlich hohen Verbrauch an hierzu erforderlichen fossilen Brennstoffen bzw. Erdgas erfordert.
Trotz der oben geschilderten Nachteile wird die Implementierung von Erdgas zur Generierung von Prozesswärme in industriellen Produktionsprozessen der komplexen Prozessführung zur dauerhaften und definierten Beheizung von Schmelzen im Wesentlichen gerecht, da die Verbrennung des Erdgases, die zumeist über eine Vielzahl von Gasbrennern erfolgt, grundsätzlich eine ausreichende Wärmeeinkopplung und somit eine zuverlässige Beheizung der Schmelze sicherstellt. Insofern und um Hinblick auf hohe Kosten durch etwaige Umbauten der Anlagentechnik wurde in der Praxis bisher davon Abstand genommen, den Erdgas- Brennstoff als Energieträger in Beschichtungsverfahren, insbesondere in Verzinkungen, zu ersetzen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, die vorgenannten Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden oder aber zumindest im Wesentlichen zu reduzieren.
Erfindungsgemäß wird zur Lösung der vorgenannten Aufgabe ein Verfahren und ein System zum Betreiben und/oder zur Dekarbonisierung eines industriellen Produktionsprozesses vorgeschlagen, wobei die Beheizung der Schmelze wahlweise mittels wenigstens einer elektrischen Beheizungseinrichtung und/oder wenigstens einer nicht-elektrischen Beheizungseinrichtung erfolgt. Damit ist gemeint, dass die Beheizung nur elektrisch, nur nicht-elektrisch oder in Kombination - hybrid - gleichzeitig elektrisch und nicht-elektrisch betrieben werden kann.
Bei dem Zustandekommen der vorliegenden Erfindung ist erkannt worden, dass es mit einer Reihe von Vorteilen verbunden ist, die Beheizung der Schmelze nicht mehr ausschließlich durch einen nicht-elektrischen bzw. gasbasierten Energieträger vorzunehmen, sondern wahlweise eine elektrische Beheizungseinrichtung einzusetzen. Die Beheizung der Schmelze mittels der elektrischen Beheizungsspeicherung kann dabei in Ergänzung zur nicht-elektrischen Beheizungseinrichtung oder als vollständiger Ersatz der nicht-elektrischen bzw. gasbasierten Beheizungseinrichtung erfolgen. Insofern umfasst der Begriff "wahlweise" letztlich drei unterschiedliche Verfahrensführungen bzw. -modi, um die gesamte benötigte Leistung für den industriellen Prozess bzw. zur Beheizung der Schmelze zur Verfügung zu stellen. So kann verfahrensgemäß die Beheizung der Schmelze ausschließlich mittels der nichtelektrischen Beheizungseinrichtung erfolgen (erster Verfahrensmodus). Weiterhin ist es verfahrensgemäß möglich, die Wärmeeinkopplung durch einen kombinierten Wärmeeintrag mittels der nicht-elektrischen Beheizungseinrichtung und der elektrischen Beheizungseinrichtung vorzunehmen (zweiter Verfahrensmodus). Schließlich kann verfahrensgemäß auch vorgesehen sein, die Beheizung der Schmelze ausschließlich unter Einsatz der elektrischen Beheizungseinrichtung vorzunehmen (dritter Verfahrensmodus).
Aufgrund des wahlweisen Einsatzes der elektrischen Beheizungseinrichtung werden die mit der nicht-elektrischen bzw. gasbasierten Beheizungseinrichtung verbundenen Nachteile umgangen bzw. abgeschwächt, insbesondere im Hinblick auf die Vermeidung des Ausstoßes von klimaschädlichen Emissionen, wie Kohlenstoffdioxid. Dadurch wird die Grundlage für die verfahrensgemäß vorgesehene Dekarbonisierung geschaffen, da durch den erfindungsgemäß vorgesehenen Ersatz einer elektrischen Beheizungseinrichtung die für die Beheizung der Schmelze erforderliche Wärmeeinkopplung unter deutlicher Reduzierung, und zum Teil vollständiger Vermeidung, von klimaschädlichen Emissionen, wie Kohlenstoffdioxid-Emissionen, erfolgt.
Insofern ist unter dem Begriff "Dekarbonisierung", wie er im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendet wird, eine Vermeidung oder zumindest Reduzierung von klimaschädlichen Emissionen zu verstehen, wie sie bei herkömmlichen industriellen Prozessen, insbesondere bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe, wie Erdgas, entstehen. Der Begriff "klimaschädliche Emissionen" ist dabei breit zu verstehen und umfasst letztlich sämtliche sich negativ auf das Klima auswirkende gasförmige Ausscheidung. Primär ist die vorliegende Erfindung auf die Vermeidung oder Reduzierung von Kohlendioxid (CO2) ausgerichtet, jedoch nicht hierauf beschränkt. So können auch weitere Gase, beispielsweise Kohlenmonoxid, Methan, Distickstoffoxid oder sonstige klimawirksame Treibhausgase (THG), klimaschädliche Emissionen im Sinne der erfindungsgemäßen Lehre sein. Mit anderen Worten wird erfindungsgemäß ein hybrides Beheizungskonzept vorgeschlagen, wobei zur dauerhaften Beheizung der Schmelze wahlweise bzw. zumindest anteilig eine elektrische Beheizungseinrichtung eingesetzt wird, einhergehend mit der angestrebten Dekarbonisierung des zu betreibenden industriellen Prozesses.
Unter einer „dauerhaften“ Bereitstellung bzw. Vorhaltung der Schmelze ist vorzugsweise ein Zeitraum von wenigstens einer Stunde, vorzugsweise wenigstens 5 Stunden, insbesondere wenigstens 10 Stunden, zu verstehen, wobei in Abhängigkeit zum Umfang der Prozessführung auch ein Tag bzw. 24 Stunden bis hin zu mehreren Tagen umfasst sind. Insofern ist der Begriff dauerhaft vorzugweise breit zu verstehen.
Insbesondere mit Bezug auf einen Beschichtungsprozess bzw. einer Verzinkung definiert der Begriff „dauerhaft“ die Einsatzzeit, in welcher eine in einem Kessel aufgenommene Schmelze ohne Ablassen bzw. Aufbereitung im Rahmen eines Beschichtungsprozesses stationär und/oder funktionsgerecht zur Beschichtung von Werkstücken eingesetzt werden kann.
Zudem ist unter dem Begriff „Schmelze“, wie er im Rahmen der vorliegenden Erfindung bevorzugt verwendet wird, eine in einem Kessel oder sonstigen Aufnahmemittel bereitgestellte und/oder vorgehaltene, vorzugsweise nichteisenhaltige, metallische Beschichtungsmasse zu verstehen, die stationär bzw. als Tauchbad mit über die gesamte Prozesszeit zumindest im Wesentlichen konstanten Volumen bzw. Masse, d.h. ohne ein Ablassen aus dem Kessel, eingesetzt wird. Insofern ist eine Schmelze im Sinne der vorliegenden Erfindung vorzugsweise nicht als Gießerschmelze zum Abgießen bzw. Urformen entsprechender Gießereiprodukte zu verstehen. Gleichwohl kann der Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens auch in Gießereiprozessen zweckmäßig sein und ist somit ausdrücklich durch die erfindungsgemäße Lehre erfasst.
Beim Zustandekommen der Erfindung mit der geschilderten hybriden Beheizungsstrategie in einem industriellen Prozess musste eine Vielzahl technischer Vorurteile überwunden werden. So werden in industriellen Prozessen je nach Anwendung bzw. gezielt abgestimmt bislang entweder bzw. einerseits Brenner eingesetzt, bei denen die Beheizung mit Erdgas oder sonstigen fossilen gasförmigen Energieträgern erfolgt. Alternativ bzw. andererseits sind wärmeverbrauchende Prozesse unter ausschließlicher Verwendung von Strom, induktiv oder widerstandsbeheizt, bekannt. Aufgrund der komplexen Verfahrensführung bei wärmeverbrauchenden Prozessen ist ein hybrider Einsatz unter Verwendung einer Kombination von elektrischen und nicht-elektrischen Energieträgern bislang bisher nicht in Erwägung gezogen worden. Insbesondere ist es auch auf anderen technischen Gebieten als nachteilig und unverhältnismäßig erachtet worden, hybride Systeme vorzusehen, da wechselnde Energieträger bzw. die diesbezügliche Energieeinleitung mit umständlichen Umbau- und Umschaltmaßnahmen und einer entsprechenden Unterbrechung der Wärmezufuhr verbunden ist. Diese Unterbrechung kann sich dabei über mehrere Minuten bis Stunden ziehen, einhergehend mit entsprechenden Unterbrechungen der Produktion sowie anlagentechnischen Vorkehrungen, um das Absinken der Prozesstemperatur zu vermeiden. Im Ergebnis wurde somit in der Praxis bisher nicht angedacht, hybride Systeme bzw. einen parallelen Betrieb aus elektrischer und nicht-elektrischer Beheizung in wärmeverbrauchenden Prozessen einzusetzen.
In Abkehr zu dieser vorherrschenden Meinung wurde im Rahmen der erfindungsgemäßen Lösung nunmehr erkannt, dass ein hybrides Beheizungssystem, bestehend aus einer elektrischen Beheizungseinrichtung und einer nicht-elektrischen Beheizungseinrichtung, sich sehr wohl in industriellen Produktionsprozessen eignet, und zwar ganz gezielt zur Beheizung einer insbesondere für einen Beschichtungsprozess vorgehaltenen bzw. bereitgestellten Schmelzen.
So wurde im Rahmen der erfindungsgemäßen Lösung festgestellt, dass sich dauerhaft zu beheizende Schmelzen, vorzugsweise Metallschmelzen und/oder nicht-eisenhaltige Schmelzen, insbesondere zinkhaltige Metallschmelzen, deshalb im Hinblick auf eine hybride Wärmezufuhr eignen, da sie eine vergleichsweise hohe Wärmeträgheit aufweisen bzw. ihre Temperatur bei Wärmezufuhr und/oder Wärmeabfuhr durch eine relativ hohe Massen- und Wärmekapazität nur verhältnismäßig langsam ändern. Hieraus resultiert ein vergleichsweise großes Zeitfenster bzw. eine reduzierte Empfindlichkeit, um die oben geschilderten Verfahrensmodi bzw. die Auswahl einer Beheizungseinrichtung bzw. das Umschalten von einer Beheizungseinrichtung zur anderen und des hybriden Beheizungssystems umzusetzen. Im Ergebnis wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung somit erstmalig und in Form eines in sich geschlossenen Konzepts vorgeschlagen, zur Dekarbonisierung eines wärmeverbrauchenden Prozesses die Beheizung einer hierbei eingesetzten Schmelze nicht ausschließlich durch eine gasbasierte bzw. nicht-elektrische Beheizung, sondern zumindest teilweise bzw. wahlweise auch mittels einer elektrischen Beheizungseinrichtung umzusetzen, wobei auch eine parallele bzw. gleichzeitige Beheizung mittels der nicht-elektrischen und elektrischen Beheizungseinrichtung erfolgen kann.
Gerade die verfahrensgemäß vorgesehene wahlweise Beheizung mittels der elektrischen Beheizungseinrichtung und/oder der nicht-elektrischen Beheizungseinrichtung gewährleistet wegen der Trägheit der Schmelze auch bei einem kurzzeitigen Unterbrechen des Wärmeeintrags in die zu beheizende Schmelze, dass gegenüber der aus dem Stand der Technik bekannten nichtelektrischen bzw. gasbasierten Beheizung prozesstechnisch keine Einbußen zu besorgen sind.
In gezielter Ergänzung zur oben geschilderten hybriden Beheizung ist erfindungsgemäß ebenfalls vorgesehen, dass zum Betreiben der elektrischen Beheizungseinrichtung ein in einem Stromnetz, insbesondere im öffentlichen Stromnetz, anfallender Überschussstrom zumindest teilweise entnommen und zum Betreiben der elektrischen Beheizungseinrichtung genutzt wird.
Überschussstrom ist in diesem Zusammenhang elektrischer Strom, der nur mit zeitlich schwankender Leistung zur Verfügung steht und deshalb zu einem Überangebot an Strom bzw. zu einer Überkapazität im Stromnetz führen kann. Insofern treten vermehrt Situationen auf, in denen elektrische Energie bzw. Strom aufgrund des mit dem Überschussstroms im Stromnetz vorliegenden Überangebots nicht vollständig verbraucht werden kann.
Überschussstrom, d.h. elektrische Energie mit zeitlich schwankender Leistung, ist insbesondere auf den Anteil erneuerbarer Energien zurückzuführen, deren Stromanteil vermehrt und priorisiert in das Stromnetz eingespeist wird. Da die zugrunde liegenden Energiequellen, nämlich Sonne, Wind und Wasser, zeitlich nicht konstant verfügbar sind und ihre Verfügbarkeit darüber hinaus nur schlecht vorhersagbar ist, sind schwankende Leistung und Überkapazitäten bzw. Zeiten von Überschussstrom letztlich nicht vermeidbar. So kann zum Beispiel ein kurzzeitig hohes Windaufkommen zu einem Überangebot an Strom bzw. zu Stromspitzen im Stromnetz führen, einhergehend mit der Problematik, dass der dadurch bedingte Überschussstrom abgeleitet bzw. verbraucht werden muss, um eine Überlastung des Stromnetzes bzw. damit einhergehender Schäden zu vermeiden.
Der Begriff „Stromnetz“, wie er im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendet wird, ist vorzugsweise breit zu verstehen und bezeichnet in der elektrischen Energietechnik ein Netzwerk zur Übertragung und Verteilung elektrischer Energie. Es besteht aus elektrischen Leitungen wie Freileitungen und Erdkabeln sowie den dazugehörigen Einrichtungen wie Schalt- und Umspannwerken. Große, räumlich benachbarte und elektrisch verbundene Stromnetze werden als Verbundnetz bezeichnet, kleine, räumlich getrennte Stromnetze als Inselnetze. Besonders bevorzugt wird das erfindungsgemäße Verfahren in Stromnetzen angewendet, die ihre elektrische Energie zumindest teilweise aus erneuerbaren Energien beziehen.
In naher Zukunft wird es demnach immer häufiger durch das Einspeisen der anteilig steigenden erneuerbaren Energien aus Sonne, Wind und Wasser in das Stromnetz vermehrt zu Stromspitzen und/oder Überschussstrom kommen, die nur unvollständig von den Stromverbrauchern abgenommen werden können und daher als sogenannter Überschussstrom auf dem Strommarkt deutlich unter seinen Gestehungskosten oder zu Preisen, die bezogen auf seinen Energiegehalt niedriger sind als für einen fossilen Brennstoff mit demselben Brennwert, oder umsonst, das heißt ohne Gegenleistung, oder sogar zu negativen Preisen angeboten werden.
Bisher ist Überlaststrom zum Abbau von Stromspitzen noch nicht im Zusammenhang mit Metallschmelzen eingesetzt worden. Stattdessen wird bisher in der Praxis versucht, Überschussstrom bzw. Stromspitzen in Speichersystemen wie Batterien und Pump-Speicher-Kraftwerken zu speichern und später wieder in das Netz einzuspeisen. Der Einsatz von Batteriesystemen ist jedoch im Hinblick auf Kosten bzw. den damit verbundenen Ressourcenbedarf problematisch. Gerade unter ökologischen Gesichtspunkten ist der Einsatz von Batterien, die eine begrenzte Lebensdauer mit perspektivisch bzw. zunehmenden Einsatz abnehmender Leistungsfähigkeit aufweisen, kontraproduktiv und somit gerade aus Nachhaltigkeitsgesichtspunkten nicht zielführend. Auch das Recycling bzw. die Entsorgung von Batterien in der erforderlichen Größenordnung gestaltet sich bekanntermaßen als problematisch. Auch im Hinblick auf die in Rede stehenden Puffer bzw. Speichersysteme ist der sehr hohe Aufwand zur Errichtung solcher Systeme anzumerken, die in Abhängigkeit von den geographischen Verhältnissen und die hohen Verluste, die mit der Umwandlung der Energie einhergehen, keine zielführende Lösung darstellen.
Insofern ist bisher in der Praxis kein zufriedenstellendes Konzept erarbeitet worden, um Überschussstrom zielführend zu nutzen. Gleichzeitig bildet der Umgang mit Überschussstrom jedoch einen wichtigen Aspekt im Hinblick auf die Energiewende, da der in Rede stehende Überschussstrom maßgeblich aus regenerativen Energien erzeugt wird.
Durch die Erfindung wird nun die Möglichkeit geschaffen, die aus Überschussstrom stammende elektrische Energie gezielt zum Betreiben einer elektrischen Beheizungseinrichtung bzw. zum Beheizen einer Schmelze einzusetzen.
Diese Maßgabe basiert dabei auf der oben geschilderten Erkenntnis, dass die Beheizung der Schmelze unter Einsatz einer elektrischen Beheizungseinrichtung in industriellem Maßstab in Kombination mit einer nicht-elektrischen Beheizungseinrichtung überhaupt zielführend möglich ist.
Vor diesem Hintergrund leistet die erfindungsgemäße Lösung auch einen Beitrag im Hinblick auf die Vermeidung einer Überlastung des Stromnetzes sowie der effizienten Nutzung von Überschussstrom, der vornehmlich aus regenerativen Energieträgern bzw. Sonne-, Wind- und Wasserkraft stammt.
Im Ergebnis stellt die erfindungsgemäße Lösung somit ein gezielt abgestimmtes Konzept zur Verfügung, wobei zwei Erkenntnisse zweckgerichtet kombiniert werden, die bereits für sich genommen vorteilhaft im Hinblick auf eine Dekarbonisierung und/oder Vermeidung von klimaschädlichen Emissionen, wie Kohlenstoffdioxiden, sind. So erfolgt eine Dekarbonisierung bereits dem Grunde nach durch den Einsatz der elektrischen Beheizungseinrichtung. Komplettiert bzw. ergänzt wird diese Grundidee dann durch die weitere Maßgabe, dass zum Betreiben der elektrischen Beheizungseinrichtung gezielt Überschussstrom eingesetzt wird. Dieser Überschussstrom stammt vornehmlich aus regenerativen Energieträgern, sodass auch der Überschussstrom selbst aus einer emissionsfreien Quelle stammt. So lässt sich eine emissionsfreie Prozesskette unter vollständiger Vermeidung der Bildung von klimaschädlichen Emissionen, wie Kohlenstoffoxiden, realisieren.
Insofern wird durch die erfindungsgemäße Lösung ein Beitrag zur Dekarbonisierung eines industriellen Produktionsprozesses unter Verwendung einer Schmelze vorgeschlagen, wobei gleichzeitig die Einbindung von Überschussstrom bzw. aus regenerativen Energien erzeugter Strom vorgesehen und dadurch auch Aspekte der Netzdienlichkeit bzw. Entlastung des Stromnetzes adressiert werden.
Die obigen, grundsätzlichen Erwägungen der erfindungsgemäßen Lösung vorausgeschickt, werden nachfolgend vorteilhafte verfahrensgemäße Aspekte der vorliegenden Erfindung erörtert.
Das Auftreten des Überschussstroms kann im Stromnetz über eine Detektionseinrichtung detektiert werden. Dies kann bevorzugt automatisch, insbesondere frequenz- und/oder internetgesteuert, erfolgen. Unter einer Detektionseinrichtung wird auch eine Empfangseinrichtung eines Signals oder dergleichen verstanden, dass der Netzbetreiber manuell oder automatisch ausgibt und von der Empfangseinrichtung empfangen wird. Nach der Detektion des Überschussstroms werden die elektrische Beheizungseinrichtung und die nichtelektrische Beheizungseinrichtung mittels einer Steuer- und/oder Regelungseinrichtung angesteuert. Demgemäß wird im Rahmen des Verfahrens zum Betreiben des Produktionsprozesses zwischen einem Zeitabschnitt vor dem Auftreten des Überschussstroms und einem Zeitabschnitt nach dem Auftreten des Überschussstroms unterschieden, wobei nach dem Auftreten des Überschussstroms vorzugsweise eine Regelung/Steuerung der elektrischen sowie der nicht-elektrischen Beheizungseinrichtung erfolgt, wobei zum Betreiben der elektrischen Beheizungseinrichtung der Überschussstrom genutzt wird. Die Nutzung des Überschussstroms erfolgt vorzugsweise derart, dass die beheizte Schmelze in einem definierten Prozesstemperaturbereich, insbesondere dauerhaft bzw. über den gesamten Produktionszyklus, bereitgestellt und/oder vorgehalten wird. Die Nutzung des Überschussstroms zum Betreiben der elektrischen Beheizung und das bedarfsweise Herunterfahren der nicht-elektrischen Beheizung erfolgt vorzugsweise derart, dass der Produktionsprozess während der elektrischen Beheizung kontinuierlich durchgeführt wird. Dementsprechend ist die Nutzung des Überschussstroms zum Betreiben der elektrischen Beheizungseinrichtung mit keiner Beeinträchtigung gegenüber der konventionellen nicht-elektrischen bzw. gasbasierten Beheizung verbunden, so dass die Nutzung der hybriden Beheizung unter Verwendung der elektrischen Beheizungseinrichtung zu keinen Einschränkungen des Produktionsprozesses führt, der während des Wechsels von dem einen Verfahrensmodus in einen anderen kontinuierlich fortgesetzt wird.
Im Hinblick auf eine konkrete Verfahrensführung kann bevorzugt vorgesehen sein, dass bei Auftreten und/oder Detektion des Überschussstroms die Beheizungsleistung der nicht-elektrischen Beheizungseinrichtung reduziert und der Betrieb der elektrischen Beheizungseinrichtung aufgenommen wird, vorzugsweise wobei der Betrieb der nicht-elektrischen Beheizungseinrichtung beendet und die Beheizung der Schmelze ausschließlich durch die elektrische Beheizungseinrichtung unter Nutzung von Überschussstrom erfolgt.
Eine derartige Verfahrensführung ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn Überschussstrom absehbar über einen längeren Zeitraum zur Verfügung steht. Hierzu kann verfahrensgemäß explizit vorgesehen sein, dass der Produktionsprozess kontinuierlich unter ausschließlicher Nutzung der elektrischen Beheizung bzw. diesbezüglicher Nutzung des Überschussstroms durchgeführt wird. Die nicht-elektrische Beheizungseinrichtung kann dann dauerhaft deaktiviert werden, was zu einer maximalen Dekarbonisierung und/oder Vermeidung der Bildung von klimaschädlichen Emissionen, wie Kohlenstoffoxiden, führt, da der Einsatz fossiler Energieträger vollständig entfällt. Selbstverständlich ist jedoch nicht ausgeschlossen, dass, ausgehend von einer rein elektrischen Beheizung, wieder eine Hinzuschaltung der nicht-elektrischen Beheizungseinrichtung erfolgen kann. Auch ein vollständiges Herunterfahren der elektrischen Beheizungseinrichtung bzw. eine ausschließliche Beheizung der nicht-elektrischen Beheizungseinrichtung ist möglich. Dies erfolgt immer dann, wenn absehbar ist, dass und wann der Überschussstrom nicht mehr zur Verfügung steht. Die Reduzierung bzw. das Herunterfahren der nicht-elektrischen Beheizungseinrichtung und/oder das Hochfahren bzw. die Aktivierung der elektrischen Beheizungseinrichtung kann kontinuierlich oder diskontinuierlich erfolgen. Vorzugsweise erfolgt eine automatische Abstimmung des Herunterfahrens bzw. Hochfahrens dahingehend, dass die Reduzierung der nicht-elektrischen Beheizungseinrichtung durch entsprechendes Hochfahren der elektrischen Beheizungseinrichtung kompensiert und die insgesamt in die Schmelze eingebrachte Wärmeenergie und/oder Prozesstemperatur über den gesamten Produktionsprozess zumindest im Wesentlichen konstant aufrechterhalten wird. Dadurch werden unerwünschte Schwankungen in der Verarbeitungstemperatur der Schmelze vermieden. Ermöglicht wird dies letztlich durch eine Steuerung/Regelung der Temperatur der Schmelze die dauerhaft gemessen wird.
In diesem Zusammenhang kann eine Übergangszeit definiert werden, deren Beginn mit der Detektion des Überschussstroms und/oder mit dem Beginn des Herunterfahrens der nicht-elektrischen Beheizungseinrichtung und/oder dem Beginn des Hochfahrens der elektrischen Beheizungseinrichtung definiert ist. Das Ende der Übergangszeit wird dabei durch das vollständige Herunterfahren der nichtelektrischen Beheizungseinrichtung und/oder durch das vollständige Hochfahren der elektrischen Beheizungseinrichtung definiert.
Die in Rede stehende Übergangszeit ist vorzugsweise frei wählbar, wobei aufgrund der vergleichsweise hohen Wärmekapazität der Schmelze prinzipiell flexibel anpassbare Übergangszeiten möglich sind. Diese hängen aber auch von dem Volumen des Schmelzebades insgesamt ab.
So kann eine Übergangszeit im Bereich von wenigen Sekunden, beispielsweise von maximal 45 oder maximal 30 Sekunden, bis zu mehreren Minuten, beispielsweise von 5 bis 10 Minuten, vorzugsweise 5 bis 30 Minuten, vorgesehen sein, innerhalb der die nicht-elektrische Beheizungseinrichtung vollständig heruntergefahren und die elektrische Beheizungseinrichtung vollständig hochgefahren worden ist. Es sind jedoch auch, insbesondere in Abhängigkeit zu dem zur Verfügung stehenden Überschussstrom und der Menge des Schmelzebades, auch kürzere oder längere Übergangszeiten möglich. Die Beheizung der Schmelze vor Auftreten und/oder Detektion des Überschussstroms kann vorzugsweise ausschließlich durch die nicht-elektrische Beheizungseinrichtung erfolgen und die elektrische Beheizungseinrichtung kann bei Auftreten und/oder Detektion des Überschussstroms zur nicht-elektrischen Beheizungseinrichtung hinzugeschaltet werden. Insofern ist bevorzugt vorgesehen, dass das Hinzuschalten bzw. die Aktivierung der elektrischen Beheizungseinrichtung gezielt mit dem Auftreten von Überschussstrom gekoppelt ist, wobei in Zeiten, in denen kein Überschussstrom im Stromnetz vorliegt, eine ausschließliche Beheizung durch die nicht-elektrische Beheizungseinrichtung vorliegt. Es versteht sich jedoch, dass auch ein Betreiben der elektrischen Beheizungseinrichtung ohne Überschussstrom möglich ist, beispielsweise durch einen direkten Anschluss an eine beliebige elektrische Stromquelle, die, vorzugsweise, zumindest teilweise, insbesondere vollständig, aus regenerativen Energiequellen gespeist wird.
Im Hinblick auf den Betrieb der nicht-elektrischen Beheizungseinrichtung ist gemäß einer bevorzugten Verfahrensführung vorgesehen, dass die nicht-elektrische Beheizungseinrichtung mit einem CCh-freien oder zumindest Erdgas und/oder CO2- reduzierten Brenngas, insbesondere reinem Wasserstoff oder einem Wasserstoff enthaltenden Brenngas, beispielsweise einem Brenngas in Form eines Erdgas- Wasserstoff-Gemischs, betrieben wird.
Gemäß dieser besonders bevorzugten Verfahrensführung erfolgt die Dekarbonisierung nicht nur durch den Einsatz einer elektrischen Beheizungseinrichtung, sondern auch durch eine Modifizierung der nichtelektrischen Beheizungseinrichtung, wobei anstelle eines reinen fossilen Brenngases bzw. Erdgases Wasserstoff eingesetzt bzw. hinzugemischt wird. Als Verbrennungsprodukte von Wasserstoff entsteht vornehmlich Wasserdampf, was zuträglich im Hinblick auf die Vermeidung der Bildung von klimaschädlichen Emissionen, wie Kohlenstoffoxiden, die bei der Verbrennung von Erdgas entstehen, ist.
Vorzugsweise solange in einem großindustriellen, wirtschaftlichen Maße reiner Wasserstoff noch nicht verfügbar ist, ist es besonders zweckdienlich, wenn der Wasserstoff einem Trägergas, vorzugsweise Erdgas, zugemischt wird, um das Wasserstoff enthaltende Brenngas zu erhalten. Das in Rede stehende Trägergas bzw. Erdgas ist dabei vorzugsweise zumindest teilweise ein in einem Industrieprozess anfallendes Prozessgas, wie Grubengas und/oder Kokereigas. Der Wasserstoffanteil im Mischgas, insbesondere bestehend aus oder enthaltend Erdgas und Wasserstoff, beträgt vorzugsweise wenigstens 20 %, vorzugsweise wenigstens 40 %, besonders bevorzugt wenigstens 60 %, ganz besonders bevorzugt wenigstens 80 % oder 90 %.
Insbesondere wird ein Wasserstoff enthaltendes Brenngas zum Betreiben der nichtelektrischen Beheizungseinrichtungen eingesetzt, wobei das Brenngas wenigstens 1 bis 100 Vol.-%, vorzugsweise 25 bis 100 Vol.-%, besonders bevorzugt 50 bis 100 Vol.-%, Wasserstoff, enthält.
Besonders bevorzugt wird die nicht-elektrische Beheizungseinrichtung ausschließlich und/oder zu 100 % mit Wasserstoff, vorzugsweise reinem und/oder grünem Wasserstoff, betrieben.
Insbesondere wird sogenannter grüner Wasserstoff ausschließlich zum Betreiben der nicht-elektrischen Beheizungseinrichtung und/oder als reines Brenngas oder anteilig in einem Mischgas, beispielsweise mit Erdgas, eingesetzt. Grüner Wasserstoff wird dabei durch Elektrolyse von Wasser hergestellt, wobei der dafür benötigte Strom wiederum aus erneuerbaren Energiequellen verwendet wird.
Dadurch ist es erfindungsgemäß ebenso möglich, auch die nicht-elektrische Beheizungseinrichtung zumindest teilweise aus erneuerbaren Energien, nämlich durch aus regenerativen Energiequellen gewonnenen Wasserstoff, zu betreiben.
Durch die oben geschilderte, bevorzugte Verfahrensführung im Hinblick auf den Einsatz von Wasserstoff, vorzugsweise grünem Wasserstoff, wird die Dekarbonisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens verbessert und die Nachhaltigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens, insbesondere in Ergänzung zu der hybriden Beheizung mittels elektrischer Beheizungsenergie, weiterführend optimiert.
Die Wärmeeinkopplung in die Schmelze bzw. die Beheizung der Schmelze kann vorzugsweise zumindest teilweise indirekt über einen die Schmelze aufnehmenden Kessel erfolgen, vorzugsweise wobei ein den Kessel umgebender Ofenraum mittels der elektrischen und/oder nicht-elektrischen Beheizungseinrichtung beheizt wird. Insbesondere wird dabei der Ofenraum mittels der nicht-elektrischen Beheizungseinrichtung beheizt und die Schmelze zusätzlich direkt mittels einer vorzugsweise in der Schmelze angeordneten elektrischen Beheizungseinrichtung beheizt.
Demgemäß erfolgt vorzugsweise eine räumliche Trennung der nicht-elektrischen Beheizungseinrichtung einerseits und der elektrischen Beheizungseinrichtung andererseits. Dabei kann vorzugsweise die nicht-elektrische Beheizungseinrichtung im Ofenraum zur Beheizung der Kesselwandung eingesetzt werden, wohingegen die elektrische Beheizungseinrichtung zur direkten Kontaktierung mit der Schmelze im Kessel aufgenommen sein kann. Hierdurch wird insbesondere verhindert, dass im Zuge der nicht-elektrischen Beheizungseinrichtung bzw. der Verbrennung des Brenngases die elektrische Beheizungseinrichtung mit potenziell schädlichen Abgasen in Kontakt tritt. Es ist jedoch auch möglich, die nicht-elektrische Beheizungseinrichtung und die elektrische Beheizungseinrichtung gemeinsam im Ofenraum anzuordnen. Hierzu kann die vorzugsweise stabförmige elektrische Beheizungseinrichtung mit einer Schutzschicht versehen sein, um einen Schutz gegen die durch die nicht-elektrische bzw. gasbasierte Beheizungseinrichtung ausgestoßenen Abgase zu bewirken.
Die Beheizung der Schmelze erfolgt vorzugsweise derart, dass die Schmelze bei einer Prozesstemperatur vorgehalten wird, die wenigstens 10 °C, vorzugsweise wenigstens 20 °C, insbesondere wenigstens 30 °C, oberhalb einer Schmelztemperatur der Schmelze liegt.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Schmelze bei einer Prozesstemperatur im Bereich von 200 °C bis 1200 °C, vorzugsweise im Bereich von 350° C bis 470 °C oder vorzugsweise im Bereich von 510 °C bis 610 °C vorgehalten wird.
Besonders bevorzugt kann die Schmelze bei einer Prozesstemperatur im Bereich von 400 °C bis 600 °C, vorzugsweise im Bereich von 415 °C bis 470 °C, oder vorzugsweise im Bereich von 510 °C bis 610 °C, insbesondere 520 °C bis 600 °C, vorgehalten werden. Die in Rede stehenden Temperaturbereiche sind bei Verzinkungsverfahren bevorzugt, wobei beim Hochtemperaturverzinken der erhöhte Temperaturbereich von 510 °C bis 610 °C bzw. 520 °C bis 600 °C vorgesehen ist. Insbesondere wird die Schmelze dabei als Tauchbad, insbesondere Verzinkungsbad, in einem metallischen Überzugs- bzw. Beschichtungsverfahren bereitgestellt und/oder vorgehalten, wobei wenigstens ein mit der Schmelze zu überziehendes bzw. zu beschichtendes Bauteil in die Schmelze eingetaucht und aus der Schmelze ausgetaucht wird.
Besonders bevorzugt wird die Schmelze bzw. das Tauchbad als metallische schmelzflüssige Legierung bereitgestellt. Bevorzugt wird als Schmelze eine schmelzflüssige Zink-Legierung bereitgestellt bzw. verwendet.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat sich als besonders zweckmäßig zum Betreiben der Feuerverzinkung bzw. Schmelztauchverzinkung, insbesondere Stückverzinkung, erwiesen, wobei ein zu beschichtender Werkstoff bzw. ein zu beschichtendes Bauteil, vorzugsweise Stahl bzw. ein Stahlbauteil, kontinuierlich (zum Beispiel Band und Draht) oder stückweise (zum Beispiel Bauteile) bei Temperaturen von etwa 400 °C bis 600 °C in einem beheizten Kessel mit flüssiger Zinklegierung getaucht wird, so dass sie auf der Stahloberfläche bzw. Werkstoffoberfläche eine widerstandfähige Legierungsschicht aus Eisen und Zink und darüber eine sehr fest haftende Zink- oder Zinklegierungsschicht ausbildet.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht dabei einen kontinuierlichen Produktionsprozess, insbesondere Feuerverzinkungsprozess, wobei gegenüber der aus dem Stand der Technik bekannten Beheizung der Schmelze allein auf Basis einer nicht-elektrischen bzw. gasbasierten Beheizung keinerlei Einbußen im Hinblick auf die Temperatur und/oder Beschaffenheit der vorzuhaltenden Schmelze festzustellen ist. Gleichwohl lässt sich aufgrund der erfindungsgemäßen Verfahrensführung, wie zuvor im Detail geschildert, eine erheblich verbesserte Nachhaltigkeit bzw. Netzdienlichkeit aufgrund der damit verbundenen Dekarbonisierung erzielen.
Daran anknüpfend ermöglicht es die erfindungsgemäße Verfahrensführung, die Schmelze dauerhaft und/über einen Zeitpunkt von wenigstens 1 Stunde, vorzugsweise wenigstens 5 Stunden, besonders bevorzugt wenigstens 10 Stunden bei der Prozesstemperatur bereitzustellen und/oder vorzuhalten. Alternativ oder zusätzlich wird die Schmelze auch in einer für die Feuerverzinkung bzw. industriellen Verzinkung üblichen Masse bzw. Dimension, vorzugsweise mit einer Masse von 200 bis 800 t (Tonnen), vorzugsweise von 250 bis 750 t, insbesondere von 300 bis 700 t, bereitgestellt, insbesondere in einem für den industriellen Beschichtungsprozess bzw. für die industrielle Verzinkung vorgesehenen Kessel.
Es ist jedoch anzumerken, dass das erfindungsgemäße Verfahren nicht auf die Verzinkung bzw. auf Beschichtungsverfahren beschränkt ist. Letztlich lässt sich die erfindungsgemäße Lehre auf sämtliche aus dem Stand der Technik bekannte Beschichtungsverfahren übertragen, sofern eine beheizte Schmelze als diesbezügliche Beschichtungsmasse eingesetzt bzw. vorgehalten wird.
Nachfolgend wird, gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung, das erfindungsgemäße System zum Betreiben und/oder zur Dekarbonisierung eines industriellen Prozesses, vorzugsweise eines industriellen Produktionsprozesses, beschrieben.
Konkret betrifft die vorliegende Erfindung dementsprechend auch ein System zum Betreiben und/oder zur Dekarbonisierung eines vorzugsweise industriellen Produktionsprozesses unter Einsatz einer Schmelze, vorzugsweise eines Beschichtungsprozesses, wie einer Verzinkung, wobei ein Kessel für eine aufzunehmende und zu beheizende Schmelze vorgesehen ist. Das erfindungsgemäße System weist wenigstens eine elektrische Beheizungseinrichtung und wenigstens eine nicht-elektrische Beheizungseinrichtung auf.
Erfindungsgemäß weist das System wenigstens eine Steuer- und/oder Regelungsvorrichtung zur wahlweisen Beheizung der Schmelze mittels der elektrischen Beheizungseinrichtung und/oder der nicht-elektrischen Beheizungseinrichtung auf, wobei die Steuer- und/oder Regelungsvorrichtung ergänzend dazu ausgebildet ist, einen in einem Stromnetz anfallenden Überschussstrom zumindest teilweise zu entnehmen und die elektrische Heizeinrichtung mit dem entnommenen Überschussstrom zu betreiben. Auf diese Weise können die zuvor erörterten Vorteile bzw. Besonderheiten der vorliegenden Erfindung entsprechend vorrichtungsgemäß umgesetzt werden. Dementsprechend ist das erfindungsgemäße System insbesondere zur vorrichtungsgemäßen Umsetzung des zuvor erörterten Verfahrens ausgebildet bzw. konzeptioniert. Die zuvor beim Verfahren erwähnten Vorteile gelten in gleicher Weise auch für das System.
Bei einer weiteren, bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist die Steuer- und/oder Regelungsvorrichtung eine Detektionseinrichtung zur Detektion des Auftretens des Überschussstroms und einer Steuer- und/oder Regelungseinrichtung zum Betreiben der elektrischen Beheizungseinrichtung und der nicht-elektrischen Beheizungseinrichtung nach der Detektion des Überschussstroms auf. Die Detektionseinrichtung kann auch als Empfangseinrichtung zum Empfangen von Signalen oder dergleichen ausgebildet sein, die vom Netzbetreiber oder Dritten beim Auftreten von Überschussstrom gesendet werden. Die Steuer- und/oder Regelungsvorrichtung kann dabei als übergeordnete Baugruppe die Detektionseinrichtung und die Steuer- und/oder Regelungseinrichtung umfassen. Dabei versteht es sich, dass es grundsätzlich auch möglich ist, die Detektionseinrichtung und die Steuer- und/oder Regelungseinrichtung als vorrichtungsgemäß voneinander getrennte Module bzw. Baueinheiten auszubilden, die signaltechnisch miteinander verbunden sind. Die Steuer- und/oder Regelungsvorrichtung ist dann abstrakt bzw. als nicht-vorrichtungsgemäße, übergeordnete Bezeichnung der in Rede stehenden Baueinheiten zu verstehen.
Bei einer weiteren, bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist ein den Kessel zumindest teilweise umgebender Ofenraum vorgesehen, vorzugsweise wobei die elektrische Beheizungseinrichtung und/oder die nicht-elektrische Beheizungseinrichtung zur Erhitzung des Ofenraums ausgebildet ist bzw. sind und/oder am bzw. im Ofenraum angeordnet ist bzw. sind, insbesondere wobei die nicht-elektrische Beheizungseinrichtung am bzw. im Ofenraum und die elektrische Beheizungseinrichtung zur Kontaktierung mit der Schmelze und/oder die zur direkten Beheizung der Schmelze im Innenraum des Kessels angeordnet ist und/oder die elektrische Beheizungseinrichtung an bzw. im Bereich der Außenseite bzw. Außenwandung des Kessels angeordnet ist. Durch die räumlich getrennte Anordnung der elektrischen Beheizungseinrichtung gegenüber der nichtelektrischen Beheizungseinrichtung wird eine Kontaktierung der elektrischen Beheizungseinrichtung von der nicht-elektrischen Beheizungseinrichtung abgegebener Brenngase verhindert. Auf diese Weise bleibt die elektrische Beheizungseinrichtung vor schädlichen Abgasen der nicht-elektrischen Beheizungseinrichtung verschont, was einen langfristig zuverlässigen Betrieb des hybriden Beheizungssystems ermöglicht.
Die vorliegende Erfindung betrifft, im Hinblick auf die obigen Besonderheiten bzw. Vorteile, auch die Verwendung des erfindungsgemäßen Systems zur Reduzierung und/oder Vermeidung der Bildung von klimaschädlichen Emissionen, wie Kohlenstoffoxiden, bei der Erzeugung von Prozesswärme beim Betreiben eines wärmeverbrauchenden Prozesses, vorzugsweise Beschichtungsprozesses, wie einer Verzinkung, insbesondere Feuerverzinkung.
Dementsprechend betrifft die vorliegende Erfindung auch die Verwendung des erfindungsgemäßen Systems zur Entnahme von Überschussstrom beim Auftreten von Stromspitzen und/oder zur Erhöhung der Netzdienlichkeit in einem wärmeverbrauchenden Prozess, vorzugsweise Beschichtungsprozess, wie einer Verzinkung, insbesondere Feuerverzinkung.
Es versteht sich, dass auch die Verwendung des erfindungsgemäßen Systems sowohl zur Reduzierung und/oder Vermeidung der Bildung von klimaschädlichen Emissionen, wie Kohlenstoffdioxiden, als auch zur Entnahme von Überschussstrom beim Auftreten von Stromspitzen und/oder zur Erhöhung der Netzdienlichkeit, also eine Kombination der obigen Verwendungsaspekte, möglich ist. Wie zuvor geschildert, betreffen die in Rede stehenden Verwendungen aufeinander abgestimmte bzw. sich gegenseitig verstärkende Aspekte zur Dekarbonisierung, da gerade das Betreiben der elektrischen Beheizungseinrichtung mittels Überschussstroms zunächst den Anteil an der nicht-elektrischen Beheizungseinrichtung reduziert, wobei die Nutzung des Überschussstroms, der vornehmlich oder ausschließlich aus regenerativen Energiequellen stammt, eine weitere Steigerung der Dekarbonisierung bzw. Erhöhung der Nachhaltigkeit mit sich bringt.
Dementsprechend sind die in Rede stehenden Verwendungen bzw. Aspekte vorzugsweise in ihrer zweckgerichteten Kombination zu verstehen. Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung und der Zeichnung selbst. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der vorliegenden Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung.
Es zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Systems und des Ablaufs des erfindungsgemäßen Verfahrens und
Fig. 2 eine perspektivische Ansicht einer in einem Kessel aufgenommenen Schmelze zur schematischen Darstellung des hybriden Beheizungsvorgangs im Sinne des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. Systems.
In Fig. 1 ist ein erfindungsgemäßes System 1 zum Betreiben und/oder zur Dekarbonisierung eines industriellen Produktionsprozesses unter Einsatz einer Schmelze 2 schematisch dargestellt.
Nachfolgend werden zunächst die Komponenten bzw. Einrichtungen des erfindungsgemäßen Systems 1 beschrieben, um auf dieser Grundlage anschließend den Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Einsatz des erfindungsgemäßen Systems 1 zu erörtern.
In diesem Zusammenhang ist darauf hinzuweisen, dass die nachfolgenden Ausführungen im Hinblick auf das erfindungsgemäße System 1 nicht die einzige Möglichkeit darstellen, um das erfindungsgemäße Verfahren zu realisieren. Vielmehr wird vorliegend ein Grundkonzept bzw. eine mögliche Implementierung beschrieben, um das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben und/oder zur Dekarbonisierung eines industriellen Produktionsprozesses unter Einsatz einer beheizten Schmelze 2 praktisch umzusetzen. Darauf aufbauend sind prinzipiell eine Vielzahl technischer Abänderungen und/oder Spezifizierungen gegenüber dem beschriebenen erfindungsgemäßen System 1 möglich. Da das erfindungsgemäße System 1 zum Betreiben eines industriellen Produktionsprozesses unter Einsatz der Schmelze 2 ausgebildet ist, weist das erfindungsgemäße System 1 einen Kessel 3 auf, in welchem die zu beheizende Schmelze 2 aufnehmbar bzw. aufgenommen ist.
Die Schmelze 2 ist vorzugsweise als Tauchbad, insbesondere Verzinkungsbad, ausgebildet bzw. wird in einem metallischen Beschichtungsprozess, wie einer Verzinkung, insbesondere Feuerverzinkung, eingesetzt. Dementsprechend wird die beheizte Schmelze 2 als Beschichtungsmasse bereitgestellt und/oder vorgehalten.
Zum Beheizen der Schmelze 2 weist das System 1 wenigstens eine nicht-elektrische Beheizungseinrichtung 4 auf, vorzugsweise ist eine Vielzahl von nicht-elektrischen Beheizungseinrichtungen 4 vorgesehen. Die nicht-elektrische Beheizungseinrichtung 4 ist vorzugsweise zum Verbrennen eines Brenngases bzw. als Gasbrenner, ausgebildet, um den Wärmeeintrag in die zu beheizende Schmelze 2 zu ermöglichen.
Dementsprechend ist die nicht-elektrische Beheizungseinrichtung 4 an eine Energiequelle 5, vorzugsweise eine Gasquelle, angeschlossen. Mittels der Energiequelle 5 kann Brenngas, beispielsweise Erdgas, insbesondere mit Wasserstoff vermischtes Erdgas oder reiner Wasserstoff, zum Betreiben der nichtelektrischen Beheizungseinrichtung 4 zur Verfügung gestellt werden.
Im Fall der Verwendung eines Mischgases kann eine weitere, vorgeschaltete Wasserstoffquelle vorgesehen sein, um das aus der Energiequelle 5 stammende Gas, vorzugsweise Erdgas, als weiteren gasförmigen Bestandteil Wasserstoff zuzumischen oder umgekehrt. Der Wasserstoff ist vorzugsweise aus regenerativen Energieträgern generiert worden, der durch Elektrolyse von Wasser hergestellt worden ist, wobei das Wasser mit Hilfe erneuerbaren Stroms in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt worden ist. Insofern handelt es sich vorzugsweise um sogenannten "grünen Wasserstoff.
Zur zusätzlichen bzw. wahlweisen Beheizung der Schmelze 2 weist das System 1 wenigstens eine elektrische Beheizungseinrichtung 6, vorzugsweise eine Vielzahl von elektrischen Beheizungseinrichtungen 6, auf. Die elektrische Beheizungseinrichtung 6 ist dementsprechend an ein Stromnetz 7 anschließbar. Das Stromnetz 7 ist vorzugweise ein öffentliches Stromnetz. Bevorzugt enthält das Stromnetz 7 bzw. die elektrische Energiequelle zumindest teilweise aus erneuerbaren Energien hergestellten Strom, der bedarfsweise in das Stromnetz 7 eingespeist wird.
Das erfindungsgemäße System 1 weist eine Steuer- und/oder Regelungsvorrichtung 8 zur wahlweisen Beheizung der Schmelze 2 mittels der nichtelektrischen Beheizungseinrichtung 4 und/oder der elektrischen Beheizungseinrichtung 6 auf.
Die Steuer- und/oder Regelungsvorrichtung 8 ist dazu ausgebildet, einen im Stromnetz 7 anfallenden Überschussstrom zumindest teilweise zu entnehmen und die elektrische Beheizungseinrichtung 6 mit dem entnommenen Überschussstrom zu betreiben.
Zur vorzugsweise automatischen und/oder frequenz- bzw. internetgesteuerten Detektion des Überschussstroms weist die Steuer- und/oder Regelungsvorrichtung 8 eine Detektionseinrichtung 9 zur Detektion des Auftretens des Überschussstroms und eine Steuer- und/oder Regelungseinrichtung 10 zum Betreiben der elektrischen Beheizungseinrichtung 6 und der nicht-elektrischen Beheizungseinrichtung 4 nach der Detektion des Überschussstroms auf. Unter einer Detektionseinrichtung 9 wird auch eine solche Einrichtung verstanden, die zum Empfang von Signalen, die vom Netzbetreiber oder einem Dritten ausgesendet werden, verstanden, wobei die Aussendung eines Signals automatisch erfolgt, wenn Stromspitzen oder Überschussstrom im Netz vorliegt oder sich derartiges ankündigt. Signale dieser Art werden vom Netzbetreiber oder Dritten automatisch generiert und übersandt.
Die Detektionseinrichtung 9 und die Steuer- und/oder Regelungseinrichtung 10 sind vorzugsweise signaltechnisch miteinander verbunden.
Diese signaltechnische Verbindung folgt vorzugsweise derart, dass bei Auftreten und/oder Detektion des Überschussstroms der Detektionseinrichtung 9 eine Aktivierung der Steuer- und/oder Regelungseinrichtung 10 zur Entnahme von Überschussstrom aus dem Stromnetz 7 erfolgt. Dabei ist die Steuer- und/oder Regelungseinrichtung 10 dazu ausgebildet, die nichtelektrische Beheizungseinrichtung 4 und die elektrische Beheizungseinrichtung 6 anzusteuern bzw. zu regeln. Hierzu ist die Steuer- und/oder Regelungseinrichtung 10 signaltechnisch mit der nicht-elektrischen Beheizungseinrichtung 4 und der elektrischen Beheizungseinrichtung 6 verbunden.
Die Steuer- und/oder Regelungseinrichtung 10 ist dazu ausgebildet, die durch die nicht-elektrische Beheizungseinrichtung 4 und die elektrische Beheizungseinrichtung 6 in die Schmelze 2 eingebrachte Wärmenergie zu regeln, und zwar in Abhängigkeit zu dem im Stromnetz 7 anfallenden Überschussstrom und/oder der Temperatur der Schmelze 2. Bevorzugt erfolgt die Regelung bzw. Steuerung derart, dass über das gesamte Auftreten des Überschussstroms ein konstanter Wärmeeintrag in die Schmelze 2 erfolgt und/oder eine konstante definierte Prozesstemperatur der Schmelze 2 gewährleistet ist.
Hierzu ist die Steuer- und/oder Regelungseinrichtung 10 dazu ausgebildet, bei Auftreten und/oder Detektion des Überschussstroms die Leistung der elektrischen Beheizungseinrichtung 6 hochzufahren und, vorzugsweise gleichzeitig, die Leistung der nicht-elektrischen Beheizungseinrichtung 4 herunterzufahren, vorzugsweise derart, dass der durch die Kombination der nicht-elektrischen Beheizungseinrichtung 4 und der elektrischen Beheizungseinrichtung 6 insgesamt in die Schmelze 2 eingekoppelte Wärmeeintrag bzw. die damit einhergehende Prozesstemperatur konstant bleibt. Bei schwankendem Überschussstrom ist die Steuer- und/oder Regelungseinrichtung 10 auch dazu ausgebildet, die durch die Beheizungseinrichtungen 4, 6 eingebrachten Wärmeeintrag in die Schmelze 2 entsprechend anzupassen, um auch bei schwankendem Überschussstrom einen konstanten Wärmeeintrag bzw. eine konstante Prozesstemperatur sicherzustellen.
Zur Ansteuerung bzw. Regelung der Beheizungseinrichtungen 4, 6 wird vorzugsweise durchgehend eine Prozesstemperatur in der Schmelze 2 als Regelgröße gemessen und mit einer Führungsgröße bzw. der gewünschten Prozesstemperatur der Schmelze 2 abgeglichen. Aufgrund der etwaig auftretenden Regelabweichung erfolgt dann eine Anpassung des Leistungseintrags der Beheizungseinrichtungen 4, 6 mittels der Steuer- und/oder Regelungseinrichtung 10. Grundsätzlich ist es auch möglich, die Schmelze 2 durch die elektrische Beheizungseinrichtung 6 in einem Temperaturbereich von bis zu 20 °C über der üblichen Prozesstemperatur zu überheizen und dann die elektrische Beheizung eine Zeit lang einzustellen, bis die Temperatur der Schmelze 2 wieder auf die übliche Prozesstemperatur abfällt. Die Steuer- und/oder Regeleinrichtung 10 ist auch dazu ausgebildet, die nicht-elektrische Beheizungseinrichtung 4 vollständig herunterzufahren bzw. die Beheizung der Schmelze 2 ausschließlich durch die elektrische Beheizungseinrichtung 6 zu bewirken. Die Beheizung der Schmelze 2 erfolgt dann vorzugsweise ausschließlich mittels der elektrischen Beheizungseinrichtung 6 bzw. unter ausschließlicher Nutzung von Überschussstrom.
Die Beheizung der Schmelze 2 kann jedoch auch unter ausschließlichem Betrieb der nicht-elektrischen Beheizungseinrichtung 4 mittels der Steuer- und/oder Regelungseinrichtung 10 erfolgen, wobei die Steuer- und/oder Regelungseinrichtung 10 dementsprechend dazu ausgebildet ist, die elektrische Beheizungseinrichtung 6 vollständig herunterzufahren.
Es ist anzumerken, dass das System 1 auch eine weitere bzw. zweite (nicht dargestellte) Steuer- und/oder Regelungsvorrichtung aufweisen kann, die ergänzend zu der beschriebenen bzw. gezeigten Steuer- und/oder Regelungsvorrichtung 8 vorgesehen sein kann. Diese weitere bzw. zweite Steuer- und/oder Regelungsvorrichtung kann insbesondere für den Betrieb des Prozesses vorgesehen sein, sofern kein Überschussstrom vorliegt und/oder ist unabhängig vom Stromnetz 7 zum Betreiben des Prozesses bzw. der nicht-elektrischen Beheizungseinrichtung 4 und/oder der elektrischen Beheizungseinrichtung 6 ausgebildet. Dementsprechend wird die beschriebene bzw. erste Steuer- und/oder Regelungsvorrichtung 8 lediglich dann eingesetzt, wenn Überschussstrom im Stromnetz 7 vorliegt bzw. detektiert wird.
Ebenso kann wenigstens eine Umschaltvorrichtung vorgesehen sein, um die Umschaltung zwischen der nicht-elektrischen Beheizungseinrichtung 4 und der elektrischen Beheizungseinrichtung 6 zu bewerkstelligen. Diese Umschalteinrichtung ist vorzugsweise ebenfalls mit der Steuer- und/oder Regelungsvorrichtung 8 bzw. der Steuer- und/oder Regelungseinrichtung 10 signaltechnisch verbunden.
Die Beheizung der Schmelze 2 erfolgt somit wahlweise mittels der elektrischen Beheizungseinrichtung 6 und/oder der nicht-elektrischen Beheizungseinrichtung 4. Dabei definiert der Begriff wahlweise letztlich drei unterschiedliche Verfahrensführungen, wonach die Beheizung ausschließlich durch die nichtelektrische Beheizungseinrichtung 4 (erster Verfahrensmodus), sowohl durch die nicht-elektrische Beheizungseinrichtung 4 als auch durch die elektrische Beheizungseinrichtung 6 (zweiter Verfahrensmodus) oder ausschließlich durch die elektrische Beheizungseinrichtung 4 (dritter Verfahrensmodus).
Zur Ansteuerung und/oder Regelung der Beheizungseinrichtungen 4, 6 und/oder zum Wechseln der in Rede stehenden Verfahrensmodi sind die Beheizungseinrichtungen 4, 6 mit der Steuer- und/oder Regelungsvorrichtung 8 des Systems 1 signaltechnisch verbunden.
Die Ansteuerung der Beheizungseinrichtungen 4, 6 über die Steuer- und/oder Regelungsvorrichtung 8 erfolgt insbesondere derart, dass eine definierte Prozesstemperatur bzw. ein vorgegebenes Temperaturintervall der Schmelze 2 als Ziel- bzw. Regelgröße vorgegeben wird. Die Steuer- und/oder Regelungsvorrichtung 8 wird hierzu vorzugsweise kontinuierlich oder in Zeitabständen mit Ist- Temperaturen der Schmelze 2 versorgt, auf deren Grundlage dann die wahlweise Ansteuerung der Beheizungseinrichtungen 4, 6 erfolgt, um die Schmelze 2 dauerhalft in der definierten Prozesstemperatur bereitzustellen.
Es versteht sich, dass das erfindungsgemäße System 1 hierzu nicht dargestellte Temperatursensoren bzw. Thermoelemente im Bereich des Kessels 3 und/oder der Schmelze 2 aufweisen kann, um die Ist-Temperatur der Schmelze 2 zu ermitteln.
Aufgrund der kombinierten Beheizung mittels der nicht-elektrischen Beheizungseinrichtung 4 sowie der elektrischen Beheizungseinrichtung 6 kann im Vergleich zu lediglich mit einer nicht-elektrischen Beheizungseinrichtung 4 betriebenen Prozesse eine Dekarbonisierung erfolgen.
Dies vorausgeschickt, wird nachfolgend das erfindungsgemäße Verfahren unter Einsatz des erfindungsgemäßen Systems 1 beschrieben.
Verfahrensgemäß ist vorgesehen, dass bei Auftreten eines im Stromnetz 7 anfallenden Überschussstroms dieser dem Stromnetz 7 zumindest teilweise entnommen und zum Betreiben der elektrischen Beheizungseinrichtung 6 genutzt wird. Das Vorliegen des Überschussstroms wird dabei durch die Detektionseinrichtung 9, vorzugsweise automatisch, detektiert, mit der Folge, dass die Regelung bzw. Steuerung der Beheizungseinrichtungen 4, 6 unter Berücksichtigung des entnommenen Überschussstroms erfolgt.
Konkret ist dabei vorgesehen, dass die Steuer- und/oder Regelungseinrichtung 10 der Steuer- und/oder Regelungsvorrichtung 8 zunächst dazu ausgebildet ist, die elektrische Beheizungseinrichtung 6 unter Verwendung des vom Stromnetz 7 entnommenen Überschussstroms zu betreiben.
Gleichzeitig oder alternativ ist die Steuer- und/oder Regelungseinrichtung 10 auch dazu ausgebildet, infolge des auftretenden Überschussstroms und des durch die elektrische Beheizungseinrichtung 6 übernommenen Heizbetriebes die Beheizungsleistung der nicht-elektrischen Beheizungseinrichtung 4 zu reduzieren bzw. herunterzufahren.
Die Ansteuerung der Beheizungseinrichtungen 4, 6, insbesondere das Hochfahren der elektrischen Beheizungseinrichtung 6 sowie das Herunterfahren der nichtelektrischen Beheizungseinrichtung 4, erfolgt dabei weiterhin unter der Maßgabe der Beibehaltung einer definierten Prozesstemperatur der Schmelze 2, die weiterhin als Führungsgröße bzw. Zielgröße in der Steuer- und/oder Regelungsvorrichtung 8 bzw. der Steuer- und/oder Regelungseinrichtung 10 verarbeitet wird.
Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, dass die Beheizung der Schmelze 2 vor Detektion des Überschussstroms zunächst ausschließlich durch die nicht-elektrische Beheizungseinrichtung 4, welche durch die Energiequelle 6 betrieben bzw. gespeist wird, erfolgt. Mit Detektion des Überschussstroms aus dem Stromnetz 7 erfolgt dann ein Hinzuschalten der elektrischen Beheizungseinrichtung 6, mit der Folge, dass der zuvor ausschließlich durch die nicht-elektrische Beheizungseinrichtung 4 zur Verfügung gestellte Wärmeeintrag nunmehr zunächst anteilig oder vollständig durch die elektrische Beheizungseinrichtung 6 übernommen wird.
Infolgedessen reduziert sich die durch die nicht-elektrische Beheizungseinrichtung 4 ausgestoßene Abgasbelastung, einhergehend mit der verfahrensgemäß erzielten Dekarbonisierung des industriellen Produktionsprozesses. Gleichzeitig ist die Nutzung des Überschussstroms mit einer Verbesserung der Netzdienlichkeit im Stromnetz 7 verbunden, da die ansonsten bei der Nicht- Abnahme des Überschussstroms zu besorgende Überbelastung des Stromnetzes 7 umgangen bzw. kompensiert wird.
Gerade bei lang anhaltendem bzw. übermäßig anfallendem Überschussstrom hat es sich als zweckmäßig erwiesen, die Beheizung über die nicht-elektrische Beheizungseinrichtung 4 vollständig herunterzufahren und die Beheizung der Schmelze 2 ausschließlich über die elektrische Beheizungseinrichtung 6 umzusetzen.
Nachfolgend wird anhand von Fig. 2 eine mögliche Ausführungsform von Anordnungen und/oder Ausbildungen der Beheizungseinrichtungen 4, 6 zur Beheizung der in dem Kessel 3 aufgenommenen Schmelze 2 beschrieben.
In diesem Zusammenhang ist darauf hinzuweisen, dass es sich bei der gezeigten Anordnung um eine nach der Erfindung mögliche technische Variante zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens handelt, die jedoch nicht zwingend bzw. als einzige technische Möglichkeit zu verstehen ist. Insofern ist die erfindungsgemäße Lehre nicht auf die nachfolgend illustrierte Anordnung beschränkt und es ist eine Vielzahl weiterer Ausführungsformen möglich bzw. denkbar.
Die Anbindung und/oder Ausbildung der Beheizungseinrichtungen 4, 6 zur Beheizung der Schmelze 2 erfolgt vorzugsweise derart, dass die Verfahrensführung über die gesamte Prozesszeit unabhängig voneinander bzw. unter ausschließlichem Einsatz der nicht-elektrischen Beheizungseinrichtungen 4 oder der elektrischen Beheizungseinrichtungen 6 erfolgen kann, wobei auch ein kombinierter Einsatz der Beheizungseinrichtungen 4, 6 unter beliebigem Anteil der jeweils durch die Beheizungseinrichtungen 4, 6 eingeleiteten Wärmeeinkopplung möglich ist.
Insbesondere sind die elektrischen Beheizungseinrichtungen 6 derart ausgebildet und/oder angeordnet, dass die Beheizung der Schmelze 2 im Bereich einer definierten Prozesstemperatur ausschließlich durch eine elektrische Beheizung, vorzugsweise unter ausschließlicher Nutzung von Überschussstrom aus dem Stromnetz 7, möglich ist. Bei der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform ist ein den Kessel 3 zumindest teilweise umgebender Ofenraum 11 vorgesehen, der vorzugsweise als Ringraum ausgebildet ist und/oder den Kessel 3 allseitig umgibt.
Der Ofenraum 11 wird dabei innenseitig durch die Wandung des Kessels 3 und außenseitig durch ein Ofengehäuse 12 begrenzt, wobei der Kessel 3 im Ofengehäuse 12 aufgenommen ist.
Beim dargestellten und bevorzugten Ausführungsbeispiel ist eine Mehrzahl von stabförmigen elektrischen Beheizungseinrichtungen 6 vorgesehen, die zur direkten Kontaktierung bzw. Beheizung in die Schmelze 2 eingebracht bzw. eingetaucht sind. Die elektrischen Beheizungseinrichtungen 6 können dabei, vorzugsweise paarweise an gegenüberliegenden Stirnseiten des Kessels 3, innerhalb der Schmelze 2 angeordnet sein, insbesondere in einer im Gebrauchszustand senkrechten bzw. vertikalen Ausrichtung.
Darüber hinaus ist eine Mehrzahl nicht-elektrischer Beheizungseinrichtungen 4 vorgesehen, die als Gasbrenner ausgebildet sind. Die nicht-elektrischen Beheizungseinrichtungen 4 sind dabei zur Erhitzung des Ofenraums 11 ausgebildet und/oder am bzw. im Ofenraum 11 angeordnet, vorzugsweise im Bereich wenigstens einer Seitenwandung, insbesondere Längsseitenwandung, des Kessels 3. Es können jedoch auch an gegenüberliegenden Seitenwandungen, insbesondere Längsseitenwandungen, des Kessels 3 nicht-elektrische Beheizungseinrichtungen 4 und/oder elektrische Beheizungseinrichtungen 6 angeordnet sein.
Es kann vorgesehen sein, dass die nicht-elektrischen Beheizungseinrichtungen 4 am bzw. im Ofengehäuse 12, vorzugsweise im Bereich wenigstens einer Seitenwandung, insbesondere Längsseitenwandung, des Ofengehäuses 12 angeordnet und/oder aufgenommen sind.
Zusätzlich oder alternativ zu den in der Schmelze 2 angeordneten elektrischen Beheizungseinrichtungen 6 kann auch wenigstens eine elektrische Beheizungseinrichtung 6 im Ofenraum 11 angeordnet sein. Die elektrische Beheizungseinrichtung 6 kann vorzugsweise als elektrischer und/oder flexibler Heizleiter ausgebildet sein, wobei die Länge des elektrischen Leiters die Länge des Kessels 3 um ein Vielfaches übersteigt. Die elektrische Beheizungseinrichtung 6 ist vorzugsweise derselben Seitenwandung, insbesondere Längsseitenwandung, des Kessels 3 wie die nichtelektrischen Beheizungseinrichtungen 4 zugeordnet.
Beim dargestellten und bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die elektrische Beheizungseinrichtung 6 schlaufenförmig bzw. mäanderförmig um die nichtelektrische Beheizungseinrichtungen 4 herum angeordnet, vorzugsweise derart, dass die nicht-elektrischen Beheizungseinrichtungen 4 von der elektrischen Beheizungseinrichtung 6 umgeben werden.
Es versteht sich, dass auch andere Anordnungen der nicht-elektrischen Beheizungseinrichtungen 4 bzw. der elektrischen Beheizungseinrichtung 6 vorgesehen sein können.
Gemäß einer nicht dargestellten Ausführungsform kann auch vorgesehen sein, dass alle oder zumindest einige nicht-elektrische Beheizungseinrichtungen 4 bzw. Heizbrenner vom Kessel 3 bzw. Ofenraum 11 entkoppelt und/oder in einer dem Kessel 3 vorgelagerten Wärmekammer angeordnet sind. Diese Wärmekammer fungiert dann als vorgelagerter Heizraum, in welchem bereits aufgeheizte Heizluft bzw. aufgeheiztes Heizgas bereitgestellt wird. Demgegenüber sind die elektrischen Beheizungseinrichtungen 6 entkoppelt von den nicht-elektrischen Beheizungseinrichtungen 4 direkt in der Schmelze 2 eingetaucht und/oder im Ofenraum 11 angeordnet.
Alternativ oder zusätzlich kann auch vorgesehen sein, dass alle oder zumindest einige elektrische Beheizungseinrichtung(en) 6 vom Kessel 3 bzw. Ofenraum 11 entkoppelt und/oder in einer weiteren oder in der dem Kessel 3 vorgelagerten Wärmekammer angeordnet ist bzw. sind. Diese eine oder weitere Wärmekammer fungiert dann als vorgelagerter Heizraum, in welchem bereits aufgeheizte Heizluft bzw. aufgeheiztes Heizgas bereitgestellt wird. Demgegenüber sind die nichtelektrischen Beheizungseinrichtungen 4 entkoppelt von den elektrischen Beheizungseinrichtungen 6 zur Beheizung des Ofenraums 11 ausgebildet und/oder angeordnet. Durch die Vorhaltung aufgeheizter Heizluft in der vorgelagerten Wärmekammer kann eine reaktionsschnelle Einleitung dieser erhitzen Heizluft in den Ofenraum 11 erfolgen, sofern, vorzugsweise ausgehend von der elektrischen Beheizung der Schmelze 2, wieder auf die Beheizung der Schmelze 2 mittels der nicht-elektrischen Beheizungseinrichtung 4 umgeschaltet wird. Hierzu kann der Ofenraum 11 dementsprechend mit bereits erhitzter Heizluft geflutet werden, um eine Aufrechterhaltung des Produktionsbetriebes bzw. der definierten Prozesstemperatur der Schmelze 2 sicherzustellen. Hierzu kann das Ofengehäuse 12 eine entsprechende Zu- und/oder Ablaufleitung 13 aufweisen, um einen aufgeheizten Wärmestrom bzw. erhitze Heizluft bedarfsweise in den Ofenraum 11 einzuleiten und/oder verbrauchte Prozessluft aus dem Ofenraum 11 auszuleiten.
Die indirekte Wärmeeinkopplung mittels der im Ofenraum 11 angeordneten wenigstens einen elektrischen Beheizungseinrichtung 6 und/oder der wenigstens einen nicht-elektrischen Beheizungseinrichtung 4 erfolgt insbesondere derart, dass die Luft im Ofenraum 11 über eine Seitenwandung, insbesondere Längsseitenwandung, erhitzt und darüber die Wandung des Kessels 3 erhitzt wird. Dadurch wird zunächst die Schmelze 2 wandseitig erhitzt. Aufgrund der damit verbundenen Wärmekonvektion erfolgt ein Strom bzw. eine Umwälzung der wandseitig erhitzten Schmelze 2 in das Innere des Kessels 3, so dass erhitzte Schmelze 2, ausgehend von den Wandabschnitten, auch in das Innere des Kessels 3 gelangt und insofern eine Durchmischung erhitzter Schmelze 2 innerhalb des Kessels 3 erfolgt.
Die elektrische Beheizungseinrichtungen 6 ist vorzugsweise speziell isoliert bzw. vor der aggressiven Abgasluft der nicht-elektrischen Beheizungseinrichtungen 4 geschützt, insbesondere sofern die Beheizungseinrichtungen 4, 6 gemeinsam im Ofenraum 11 angeordnet bzw. aufgenommen sind.
Die Zu- und/oder Ableitung 13 ist vorzugsweise bedarfsweise verschließbar und/oder mit einer diesbezüglichen Abgasklappe versehen.
Zudem sind mehrere am Kessel 3 angebrachte Thermoelemente bzw. Sensoren vorgesehen, um die Temperatur der Schmelze 2 und/oder die Heiztemperatur im Ofenraum 11 vorzugsweise kontinuierlich zu überwachen und/oder aufzuzeichnen. Die Temperatur im Kessel 3 und/oder im Ofenraum 11 fungiert somit vorzugsweise als Regelgröße, welche der Steuer- und/oder Regelungsvorrichtung 8 bzw. der Steuer- und/oder Regelungseinrichtung 10 zu Zwecken der Regelung der nichtelektrischen Beheizungseinrichtung 4 und der elektrischen Beheizungseinrichtung 6 entsprechend zugeführt wird. Dadurch wird der Wärmeeintrag der elektrischen Beheizungseinrichtung 6 und/oder der nicht-elektrischen Beheizungseinrichtung 4 bedarfsweise geregelt bzw. angepasst, um anlagenkritische Temperaturen zu vermeiden und/oder die Schmelze 2 dauerhaft auf einer definierten Prozesstemperatur zu halten.
Die Steuer- und/oder Regelungsvorrichtung 8 kann eine Umschalteinrichtung aufweisen, um ein bedarfsweises Umschalten des Heizbetriebes zwischen elektrischer Beheizungseinrichtung 4 und nicht-elektrischer Beheizungseinrichtung 6 umzusetzen. Die Umschalteinrichtung kann hierzu entsprechende Schalt- und/oder Leitungskomponenten aufweisen.
Die nicht-elektrischen Beheizungseinrichtungen 4 sind vorzugsweise als Matrix und/oder in einem festgelegten Gruppenmuster im Ofenraum 11 angeordnet. Vorzugsweise sind die nicht-elektrischen Beheizungseinrichtungen 4 einer Seitenwandung, insbesondere Längsseitenwandung, des Kessels 3 zugeordnet.
Alternativ oder zusätzlich können die nicht-elektrischen Beheizungseinrichtungen 4 und/oder die elektrischen Beheizungseinrichtungen 6 gegenüberliegenden Seitenwandungen, insbesondere Längsseitenwandungen, des Kessels 3 zugeordnet sein.
Zur definierten Wärmeeinkopplung können die nicht-elektrischen Beheizungseinrichtungen 4 und/oder die elektrischen Beheizungseinrichtungen 6 einzeln oder in definierten Zonen bzw. Gruppen angesteuert bzw. geregelt werden, insbesondere mittels der Steuer- und/oder Regelungsvorrichtung 8 und/oder der Steuer- und/oder Regelungseinrichtung 10.
Erhält die Steuer- und/oder Regelungsvorrichtung 8, insbesondere die Detektionseinrichtung 9, aus dem Stromnetz 7, insbesondere frequenz- oder internetgesteuert, den Impuls, dass ein Überschussstrom im Stromnetz 7 vorliegt, wird die Wärmeleistung bzw. Brennleistung der nicht-elektrischen Beheizungseinrichtungen 4 reduziert, indem einzelne oder mehrere nicht-elektrische Beheizungseinrichtungen 4 abgeschaltet und/oder die Heizleistung bzw. Brennleistung einer oder mehrerer nicht-elektrischer Beheizungseinrichtungen 4 reduziert wird. Parallel dazu wird der elektrische Heizantrieb über die elektrischen Beheizungseinrichtungen 6 aufgenommen, wobei hierzu der aus dem Stromnetz 7 abgenommene Überschussstrom verwendet wird.
Hierzu kann, nach einer gegebenenfalls definierten Übergangszeit, der nichtelektrische Heizbetrieb vollständig heruntergefahren werden, so dass keine Wärmeeinkopplung über die nicht-elektrischen Beheizungseinrichtungen 4 erfolgt. Die Schmelze 2 wird dann vorzugsweise ausschließlich über die elektrischen Beheizungseinrichtungen 6 beheizt, die in der Schmelze 2 aufgenommen sind. Durch Konvektion und Durchmischung im Kessel 3 wird dann die gesamte Schmelze 2 mittels der elektrischen Beheizungseinrichtungen 6 gleichmäßig erwärmt bzw. erhitzt.
Die Beheizung der Schmelze 2 über die elektrischen Beheizungseinrichtungen 6 kann derart erfolgen, dass die Schmelze 2 oberhalb der Prozesstemperatur bzw. einem definierten Prozesstemperaturintervall beheizt wird, vorzugsweise um wenigstens 20 °C, vorzugsweise wenigstens 40 °C oberhalb der Prozesstemperatur beheizt wird. Nach dieser Überhitzung kann dann die Beheizung mittels der nichtelektrischen Beheizungseinrichtungen 4 und/oder der elektrischen Beheizungseinrichtungen 6 reduziert oder komplett eingestellt werden, derart, dass die Schmelze 2 ausgehend von der Überhitzung oberhalb der Prozesstemperatur wieder abkühlt. Sofern die Schmelze 2 die Prozesstemperatur wieder erreicht oder unterschreitet, kann wieder eine Beheizung der Schmelze 2 mittels der nichtelektrischen Beheizungseinrichtungen 4 und/oder der elektrischen Beheizungseinrichtungen 6, vorzugsweise ausschließlich mittels der elektrischen Beheizungseinrichtungen 6, erfolgen, vorzugsweise wobei die Schmelze 2 wieder oberhalb der Prozesstemperatur im obigen Sinne erhitzt wird.
Insofern lassen sich Beheizungsintervalle definieren, zwischen denen keine Beheizung der Schmelze 2 erfolgt. Innerhalb der Beheizungsintervalle erfolgt wiederum die Beheizung der Schmelze 2, und zwar vorzugsweise ausschließlich mittels der elektrischen Beheizungseinrichtung 6.
Die Dauer der Beheizungsintervalle ist flexibel einstellbar und erfolgt vorzugsweise derart, dass ein kontinuierlicher Betrieb des Beschichtungsprozesses sowohl innerhalb der Beheizungsintervalle als auch zwischen den Beheizungsintervallen möglich ist. Bezugszeichenliste:
System
Schmelze
Kessel nicht-elektrische Beheizungseinrichtung
Energiequelle elektrische Beheizungseinrichtung
Stromnetz
Steuer- und/oder Regelungsvorrichtung
Detektionseinrichtung
Steuer- und/oder Regelungseinrichtung
Ofenraum
Ofengehäuse
Ein- und/oder Ausleitung

Claims

Patentansprüche:
1. Verfahren zum Betreiben und/oder zur Dekarbonisierung eines insbesondere industriellen Produktionsprozesses, vorzugsweise eines Beschichtungsprozesses, wie einer Verzinkung, in welchem eine beheizte Schmelze (2) bereitgestellt und/oder vorgehalten wird, wobei die Beheizung der Schmelze (2) wahlweise mittels wenigstens einer elektrischen Beheizungseinrichtung (6) und/oder wenigstens einer nichtelektrischen Beheizungseinrichtung (4) erfolgt, und wobei bei Auftreten eines im Stromnetz (7) anfallenden Überschussstroms dieser dem Stromnetz (7) zumindest teilweise entnommen und zum Betreiben der elektrischen Beheizungseinrichtung (6) genutzt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Auftreten des Überschussstroms über eine Detektionseinrichtung (9) detektiert und die elektrische Beheizungseinrichtung (6) und die nichtelektrische Beheizungseinrichtung (4) nach der Detektion des Überschussstroms mittels einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung (10) betrieben werden, vorzugsweise derart, dass die Schmelze (2) unter Nutzung von Überschussstroms in einem definierten Prozesstemperaturbereich bereitgestellt und/oder vorgehalten wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Produktionsprozess während der elektrischen Beheizung (6) kontinuierlich und, insbesondere, in einem definierten Temperaturbereich, durchgeführt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Auftreten und/oder Detektion des Überschussstroms die Beheizungsleistung der nicht-elektrischen Beheizungseinrichtung (4) reduziert und der Betrieb der elektrischen Beheizungseinrichtung (6) aufgenommen wird, vorzugsweise wobei der Betrieb bzw. die Beheizung mittels der nichtelektrischen Beheizungseinrichtung (4) beendet und die Beheizung der Schmelze (2) ausschließlich mittels der elektrischen Beheizungseinrichtung (6) unter Nutzung von Überschussstrom erfolgt.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beheizung der Schmelze (2) vor Auftreten und/oder Detektion des Überschussstroms vorzugsweise ausschließlich durch die nicht-elektrische Beheizungseinrichtung (4) erfolgt und die elektrische Beheizungseinrichtung (6) bei Auftreten und/oder Detektion des Überschussstroms zur nichtelektrischen Beheizungseinrichtung (4) hinzugeschaltet wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die nicht-elektrische Beheizungseinrichtung (4), vorzugsweise ausschließlich, mit Wasserstoff als Brenngas oder einem Wasserstoff enthaltenden Brenngas und/oder Mischgas, insbesondere einem Wasserstoff- Erdgas-Mischgas, betrieben wird, vorzugsweise wobei das Brenngas und/oder Mischgas wenigstens 1 bis 80 Vol.-%, vorzugsweise 25 bis 90 Vol.-%, besonders bevorzugt 50 bis 100 Vol.-% Wasserstoff enthält.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beheizung der Schmelze (2) zumindest teilweise indirekt über einen die Schmelze (2) aufnehmenden Kessel (3) erfolgt, vorzugsweise wobei ein den Kessel (3) umgebender Ofenraum (11 ) mittels der elektrischen und/oder der nicht-elektrischen Beheizungseinrichtung (4, 6) beheizt wird, insbesondere wobei der Ofenraum (11 ) mittels der nicht-elektrischen Beheizungseinrichtung (4) beheizt wird und die Schmelze (2) zusätzlich direkt und/oder kontaktgebunden mittels einer vorzugsweise in der Schmelze (2) angeordneten elektrischen Beheizungseinrichtung (6) beheizt wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelze (2) bei einer Prozesstemperatur vorgehalten wird, die wenigstens 10 °C, vorzugsweise wenigstens 20 °C, insbesondere wenigstens 30 °C, oberhalb einer Schmelztemperatur der Schmelze (2) liegt; und/oder dass die Schmelze (2) bei einer Prozesstemperatur im Bereich von 200 °C bis 1200 °C, vorzugsweise im Bereich von 350° C bis 470 °C oder vorzugsweise im Bereich von 510 °C bis 610 °C vorgehalten wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Produktionsprozess als Feuerverzinkung, insbesondere Stückverzinkung, durchgeführt wird und/oder dass die Schmelze (2) als Zinklegierung bereitgestellt und/oder vorgehalten wird.
10. System (1) zum Betreiben und/oder zur Dekarbonisierung eines vorzugsweise industriellen Produktionsprozesses unter Einsatz einer Schmelze (2), vorzugsweise eines Beschichtungsprozesses, wie einer Verzinkung, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem Kessel (3) für die zu beheizende Schmelze (2), mit wenigstens einer elektrischen Beheizungseinrichtung (6) und wenigstens einer nicht-elektrischen Beheizungseinrichtung (4), und mit wenigstens einer Steuer- und/oder Regelungsvorrichtung (8) zur wahlweisen Beheizung der Schmelze (2) mittels der elektrischen Beheizungseinrichtung (6) und/oder der nicht-elektrischen Beheizungseinrichtung (4), wobei die Steuer- und/oder Regelungsvorrichtung (8) ergänzend dazu ausgebildet ist, einen in einem Stromnetz (7) anfallenden Überschussstrom zumindest teilweise zu entnehmen und die elektrische Beheizungseinrichtung (6) mit dem entnommenen Überschussstrom zu betreiben.
11. System nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und/oder Regelungsvorrichtung (8) eine Detektionseinrichtung (9) zur Detektion des Auftretens des Überschussstroms und eine Steuer- und/oder Regelungseinrichtung (10) zum Betreiben der elektrischen Beheizungseinrichtung (6) und der nicht-elektrischen Beheizungseinrichtung (4) nach der Detektion des Überschussstroms aufweist, insbesondere derart, dass die Schmelze (2) nach der Detektion in einem definierten Prozesstemperaturbereich bereitgestellt und/oder vorgehalten wird.
12. System nach Anspruch 10 oder 11 , dadurch gekennzeichnet, dass ein den Kessel (3) zumindest teilweise umgebender Ofenraum (11 ) vorgesehen ist, vorzugsweise wobei die elektrische Beheizungseinrichtung (6) und/oder die nicht-elektrische Beheizungseinrichtung (4) in dem Ofenraum (11 ) angeordnet ist bzw. sind, insbesondere wobei die nicht-elektrische Beheizungseinrichtung (4) im Ofenraum (11) und die elektrische Beheizungseinrichtung (6) zur Kontaktierung mit der Schmelze (2) und/oder zur direkten Beheizung der Schmelze (2) im Innenraum des Kessels (3) angeordnet ist.
13. Verwendung eines Systems nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Dekarbonisierung, insbesondere zur Reduzierung und/oder Vermeidung der Bildung von klimaschädlichen Emissionen, wie Kohlenstoffoxiden, beim Betreiben eines wärmeverbrauchenden Prozesses, vorzugsweise Beschichtungsprozess, wie einer Verzinkung.
14. Verwendung eines Systems nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere Verwendung nach Anspruch 12, zur Entnahme von Überschussstrom beim Auftreten von Stromspitzen und/oder zur Erhöhung der Netzdienlichkeit in einem wärmeverbrauchenden Prozess, vorzugsweise Beschichtungsprozess, wie einer Verzinkung.
EP24709726.4A 2023-03-27 2024-03-06 Verfahren und system zum betreiben und/oder zur dekarbonisierung eines insbesondere industriellen produktionsprozesses Pending EP4630746A1 (de)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102023001171 2023-03-27
DE102023109687.7A DE102023109687A1 (de) 2023-03-27 2023-04-18 Verfahren und System zum Betreiben und/oder zur Dekarbonisierung eines insbesondere industriellen Produktionsprozesses
PCT/EP2024/055806 WO2024199919A1 (de) 2023-03-27 2024-03-06 Verfahren und system zum betreiben und/oder zur dekarbonisierung eines insbesondere industriellen produktionsprozesses

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP4630746A1 true EP4630746A1 (de) 2025-10-15

Family

ID=90361730

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP24709726.4A Pending EP4630746A1 (de) 2023-03-27 2024-03-06 Verfahren und system zum betreiben und/oder zur dekarbonisierung eines insbesondere industriellen produktionsprozesses

Country Status (4)

Country Link
EP (1) EP4630746A1 (de)
CN (1) CN121195143A (de)
MX (1) MX2025011396A (de)
WO (1) WO2024199919A1 (de)

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB504362A (en) * 1936-10-14 1939-04-21 Huettenwerke Siegerland Ag Method of coating vessels with zinc
DE102015212828A1 (de) * 2015-07-09 2017-01-12 Sms Group Gmbh Schmelzmetallurgischer Ofen und Verfahren zu dessen Betrieb
DE102018211104A1 (de) * 2018-07-05 2020-01-09 Thyssenkrupp Ag Verfahren und Einrichtung zum Betrieb einer Produktionsanlage

Also Published As

Publication number Publication date
WO2024199919A1 (de) 2024-10-03
MX2025011396A (es) 2025-11-03
CN121195143A (zh) 2025-12-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3080310B1 (de) Anlagenverbund zur stahlerzeugung und verfahren zum betreiben des anlagenverbundes
EP3080309B1 (de) Anlagenverbund zur stahlerzeugung und verfahren zum betreiben des anlagenverbundes
DE2420579A1 (de) Verfahren zur durchfuehrung von endothermen chemischen und/oder physikalischen prozessen
DE102008060774A1 (de) Schrottvorwärmungsprozess und Einrichtungen in Stahlerzeugungsanlagen
WO2023030944A1 (de) Verfahren zur herstellung einer eisenschmelze
DE102015202683A1 (de) Verfahren zum Betreiben eines mit fossilen Brennstoffen betriebenen Kraftwerkes und Kraftwerk zur Verbrennung fossiler Brennstoffe
DE102011002615A1 (de) Verfahren zur Behandlung eines kohlendioxidhaltigen Abgases aus einem Elektroschmelzprozess
DE102008005259B4 (de) Verfahren zur Energieeinsparung bei Wärmebehandlungsanlagen mit durch Heizteil und Kühlteil bewegtem Gut
DE202010011515U1 (de) Elektrisches Kraftwerk mit Thermogenerator (TEG) und Wasserstoffwärmequelle
DE102023109687A1 (de) Verfahren und System zum Betreiben und/oder zur Dekarbonisierung eines insbesondere industriellen Produktionsprozesses
EP4630746A1 (de) Verfahren und system zum betreiben und/oder zur dekarbonisierung eines insbesondere industriellen produktionsprozesses
EP3080514A1 (de) Verfahren zur leistungsregelung von dampferzeugern zur stromerzeugung und/oder wärmebereitstellung
DE3315431A1 (de) Verfahren zur erhoehung der windtamperatur in einem blashochofen
WO2015176944A1 (de) Verfahren zum verbrennen einer legierung eines elektropositiven metalls
EP2800190B1 (de) Verfahren und Regelvorrichtung zum Betreiben einer Brennstoffzelle oder eines Brennstoffzellenstapels
EP4711487A1 (de) Verfahren zur nutzung von in einem stromnetz anfallenden überschussstrom und anlage zum betreiben eines vorzugsweise industriellen prozesses
DE102011082205A1 (de) Verfahren zum Betrieb eines regenerativ beheizten Industrieofens und regenerativ geheizter Industrieofen
EP4426977A1 (de) Verfahren und verarbeitungssystem zum erwärmen und weiterverarbeiten von metallhaltigen produkten unter nutzung von solarthermie
DE102014209529A1 (de) Verbrennung von Lithium bei unterschiedlichen Temperaturen, Drücken und Gasüberschüssen mit porösen Rohren als Brenner
EP2659185A2 (de) Verfahren zur behandlung eines kohlendioxidhaltigen abgases
EP1792133B1 (de) Einrichtung zum herstellen von flüssigem stahl
DE102010007916A1 (de) Verfahren zur Hydrierung von Chlorsilanen und Konverter zur Durchführung des Verfahrens
DE102009053920A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Verminderung des metallurgischen Energiebedarfs von geschlossenen elektrischen Schmelz- und/oder Reduktionsöfen
DE102024125812B3 (de) Verfahren zum Verwerten von wasserstoffhaltigem Gas
DE656483C (de) Verfahren zur besseren Ausnutzung der elektrischen UEberschussenergie von Kraftwerken durch Erzeugung von Wasserstoff

Legal Events

Date Code Title Description
STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: UNKNOWN

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE INTERNATIONAL PUBLICATION HAS BEEN MADE

PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: REQUEST FOR EXAMINATION WAS MADE

17P Request for examination filed

Effective date: 20250708

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC ME MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR

GRAP Despatch of communication of intention to grant a patent

Free format text: ORIGINAL CODE: EPIDOSNIGR1

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: GRANT OF PATENT IS INTENDED