EP4630746B1

EP4630746B1 - Verfahren und system zum betreiben und/oder zur dekarbonisierung eines insbesondere industriellen produktionsprozesses

Info

Publication number: EP4630746B1
Application number: EP24709726.4A
Authority: EP
Inventors: Thomas PINGER; Lars Baumgürtel; Birgitt BENDIEK; Robert MILL
Original assignee: Fontaine Holdings NV
Current assignee: Fontaine Holdings NV
Priority date: 2023-03-27
Filing date: 2024-03-06
Publication date: 2026-06-10
Anticipated expiration: 2044-03-06
Also published as: EP4630746C0; ES3074118T3; MX2025011396A; JP2026518089A; EP4630746A1; CN121195143A; WO2024199919A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zum Betreiben und/oder zur Dekarbonisierung eines industriellen Produktionsprozesses, vorzugsweise eines Beschichtungsprozesses, nämlich 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, nämlich bei Beschichtungsprozessen in Form von 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.
Das Dokument gemäß Proskurkin E. V. et al., "Manufacture and use of hot galvanising baths for tubes", Steel in the USSR, Bd. 17, Nr. 6, 1. Juni 1987, Seiten 275 bis 277, betrifft Untersuchungen im Hinblick auf die Ergebnisse von Feuerverzinkungsprodukten.
Zudem betrifft die GB 504 362 A ein Verfahren zur Zinkbeschichtung von Behältern mit Zink.
Die WO 2017/005466 A1 betrifft einen schmelzmetallurgischen Ofen zum Aufschmelzen von metallischem Material, beispielsweise von Schrott, wobei das Aufschmelzen des metallischen Materials dabei derart erfolgt, dass mit einem Brenner ein Heizraum beheizt wird, wobei eine Führung des Abgases des Verbrennungsprozesses so geleitet wird, dass es keinen Kontakt mit dem metallischen Material hat.
Weiterhin betrifft die WO 2020/007796 A1 ein Verfahren und eine Einrichtung zum Betrieb einer Produktionsanlage, wobei wenigstens ein elektrische Energie verbrauchender Produktionsprozess zur Herstellung eines Produkts durchgeführt wird.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, die vorgenannten Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden oder aber zumindest im Wesentlichen zu reduzieren.
Zur Lösung der vorgenannten Aufgabe werden erfindungsgemäß ein Verfahren nach Anspruch 1 und ein System nach Anspruch 9 bereitgestellt. Weitere diesbezügliche Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der entsprechenden Unteransprüche. Zur Lösung der vorgenannten Aufgabe werden erfindungsgemäß zudem die Verwendungen nach Anspruch 11 und Anspruch 12 bereitgestellt.
Erfindungsgemäß werden zur Lösung der vorgenannten Aufgabe also 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 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 nicht-elektrischen 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 nicht-eisenhaltige, metallische Beschichtungsmasse in Form einer Zinklegierung 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 nicht als Gießerschmelze zum Abgießen bzw. Urformen entsprechender Gießereiprodukte zu verstehen.
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 für einen Beschichtungsprozess vorgehaltenen bzw. bereitgestellten Schmelze.
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 nicht-elektrischen 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 im Stromnetz wird erfindungsgemäß über eine Detektionseinrichtung detektiert. 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 nicht-elektrische 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 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 nicht-elektrischen 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 CO₂-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 nicht-elektrischen 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 nicht-elektrischen 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.
Erfindungsgemäß 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. Erfindungsgemäß 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.
Nachfolgend wird, gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung, das erfindungsgemäße System gemäß Anspruch 9 zum Betreiben und/oder zur Dekarbonisierung eines industriellen Produktionsprozesses, wobei der industrielle Produktionsprozess eine Verzinkung ist, beschrieben.
Konkret betrifft die vorliegende Erfindung dementsprechend auch ein System zum Betreiben und/oder zur Dekarbonisierung eines industriellen Produktionsprozesses, wobei der industrielle Produktionsprozess eine Verzinkung ist, 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 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.
Erfindungsgemäß 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 nichtvorrichtungsgemäße, 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 nicht-elektrischen 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, gemäß Anspruch 11 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, wobei der wärmeverbrauchende Prozess eine Verzinkung, insbesondere Feuerverzinkung, ist.
Dementsprechend betrifft die vorliegende Erfindung gemäß Anspruch 12 auch die Verwendung des erfindungsgemäßen Systems zur Entnahme von Überschussstrom beim Auftreten von Stromspitzen und/oder zur Erhöhung der Netzdienlichkeit in einem wärmeverbrauchenden Prozess, wobei der wärmeverbrauchende Prozess eine Verzinkung, insbesondere Feuerverzinkung, ist.
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 Verzinkungsbad ausgebildet bzw. wird in einem metallischen Beschichtungsprozess in Form 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 nicht-elektrischen 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 nicht-elektrischen 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 nicht-elektrische 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 nicht-elektrische 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 dauerhaft 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 nicht-elektrischen 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 nicht-elektrischen Beheizungseinrichtungen 4 zugeordnet.
Beim dargestellten und bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die elektrische Beheizungseinrichtung 6 schlaufenförmig bzw. mäanderförmig um die nicht-elektrische 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 nicht-elektrischen 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 nicht-elektrischen 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 nicht-elektrische 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 nicht-elektrischen 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 nicht-elektrischen 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:

1: System
2: Schmelze
3: Kessel
4: nicht-elektrische Beheizungseinrichtung
5: Energiequelle
6: elektrische Beheizungseinrichtung
7: Stromnetz
8: Steuer- und/oder Regelungsvorrichtung
9: Detektionseinrichtung
10: Steuer- und/oder Regelungseinrichtung
11: Ofenraum
12: Ofengehäuse
13: Ein- und/oder Ausleitung

Claims

Verfahren zum Betreiben und/oder zur Dekarbonisierung eines industriellen Produktionsprozesses, wobei der industrielle Produktionsprozess eine Verzinkung ist, wobei eine beheizte Schmelze (2) als Zinklegierung bereitgestellt und/oder vorgehalten wird,
wobei die Schmelze (2) bei einer Prozesstemperatur im Bereich von 200 °C bis 1200 °C vorgehalten wird,

wobei die Beheizung der Schmelze (2) wahlweise mittels wenigstens einer elektrischen Beheizungseinrichtung (6) und wenigstens einer nicht-elektrischen Beheizungseinrichtung (4) erfolgt,

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 und

wobei das Auftreten des Überschussstroms über eine Detektionseinrichtung (9) detektiert und die elektrische Beheizungseinrichtung (6) und die nicht-elektrische Beheizungseinrichtung (4) nach der Detektion des Überschussstroms mittels einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung (10) betrieben werden derart, dass die Schmelze (2) unter Nutzung von Überschussstrom in einem definierten Prozesstemperaturbereich bereitgestellt und/oder vorgehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass der Produktionsprozess während der elektrischen Beheizung (6) kontinuierlich und, insbesondere, in einem definierten Temperaturbereich, durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, 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 nicht-elektrischen Beheizungseinrichtung (4) beendet und die Beheizung der Schmelze (2) ausschließlich mittels der elektrischen Beheizungseinrichtung (6) unter Nutzung von Überschussstrom erfolgt.
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 nicht-elektrischen Beheizungseinrichtung (4) hinzugeschaltet wird.
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.
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.
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 350° C bis 470 °C oder im Bereich von 510 °C bis 610 °C vorgehalten wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass der Produktionsprozess als Feuerverzinkung, insbesondere Stückverzinkung, durchgeführt wird.
System (1) zum Betreiben und/oder zur Dekarbonisierung eines industriellen Produktionsprozesses unter Einsatz einer Schmelze (2), wobei der industrielle Produktionsprozess eine Verzinkung ist, 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 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,

wobei 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 derart, dass die Schmelze (2) nach der Detektion in einem definierten Prozesstemperaturbereich bereitgestellt und/oder vorgehalten wird.
System nach Anspruch 9, 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.
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, wobei der wärmeverbrauchende Prozess eine Verzinkung ist.
Verwendung eines Systems nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Entnahme von Überschussstrom beim Auftreten von Stromspitzen und/oder zur Erhöhung der Netzdienlichkeit in einem wärmeverbrauchenden Prozess, wobei der wärmeverbrauchende Prozess eine Verzinkung ist.