Mehr Nachhaltigkeit ins Stahlwerk bringen

Technologietrends wie die Elektrifizierung bisher fossil getriebener Prozesse und der Einsatz von Wasserstoff als Reduktionsmittel ermöglichen es der Stahlindustrie, Kohle durch saubere Energiequellen zu ersetzen und grünen Stahl in viel größeren Mengen zu produzieren. Einem aktuellen Bericht der NGO Global Energy Monitor zufolge entfallen derzeit allerdings nur 31 Prozent der Stahlerzeugungskapazität auf Elektrolichtbogenöfen. Hier ist also ein Ausbau erforderlich.

Zusätzlich zu diesen technischen Umstellungen müssen aber auch die Abläufe kontinuierlich optimiert werden. Denn Behörden wie der wissenschaftliche Beirat beim Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz schlagen vor, dass die Produktion grünen Stahls zukünftig einem Zertifizierungsverfahren unterzogen werden soll, welches die genaue Messung und Meldung der CO2-Emissionen beinhalten. Infolgedessen werden die Hersteller stärker besteuert, wenn sie bestimmte Emissionsschwellen überschreiten.

Die Markttrends verändern die Art und Weise, wie Stahlunternehmen ihre Geschäfte führen. So stellen beispielsweise führende Unternehmen wie Algoma Steel und ArcelorMittal auf die Herstellung von Elektrostahl um, da sie so die Kohlendioxid-Emissionen um 60 bis 70 Prozent senken können. Sie positionieren sich damit für ein langfristiges Wachstum auf dem wachsenden Markt für grünen Stahl. Ein bemerkenswertes Beispiel ist auch der europäische Stahlhersteller Liberty Ostrava, der gegenwärtig seinen Betrieb auf eine umweltfreundliche Stahlproduktion umstellt:

• Planung von Investitionen in Höhe von Hunderten von Millionen Dollar in den nächsten acht Jahren, um bis 2030 CO2-Neutralität zu erreichen
• Ersatz der vier traditionellen kohlebefeuerten Hochöfen durch zwei Hybrid-Lichtbogenöfen.
• Installation einer modernen Stromversorgungsinfrastruktur, welche die Wasserstoffproduktion sowie die Verwendung einer größeren Menge an Stahlschrott und einer breiteren Palette an Einsatzmaterialien ermöglicht.

Diese Strategien werden die Abhängigkeit des Unternehmens von importierter Kohle verringern und die Kohlendioxid-Emissionen erheblich reduzieren. Der Austausch der Öfen und der Ausbau der elektrischen Infrastruktur ist jedoch nur ein Teil der Dekarbonisierung der Stahlindustrie. Liberty Ostrava modernisiert deshalb auch seine Automatisierungssoftware, um den Betrieb in Vorbereitung auf die Einführung von Elektrolichtbogenöfen (EAF) und Direktreduktionsanlagen (DRI) effizienter zu machen.

Der Einsatz der digitalen Plattform AVEVA PI wird es den Akteuren im Stahlwerk ermöglichen, die Energieeffizienz der Produktion zu erhöhen. Sie unterstützt dabei,

• detaillierte Betriebsanalysen durchzuführen,
• bestehende und neue Systeme zu optimieren,
• ein zustandsorientiertes Echtzeit-Programm für Wartung, Prozesse, Umweltemissionen sowie Energieverbrauch zu implementieren.

Eine zustandsorientierte Instandhaltung ist ein wichtiges Element der Effizienzsteigerung. Die digitale Plattform hilft dabei, indem sie aufkommende Probleme identifiziert und es ermöglicht, sie zu beheben, bevor es zu größeren Ausfallzeiten kommt. Dies geschieht durch die Erfassung und Analyse historischer und Echtzeit-Betriebsdaten im Vergleich zu den von Technikern festgelegten Sollwerten.

Wenn die Plattform Anomalien feststellt, benachrichtigt sie die Betreiber, sodass diese in der Lage sind, Präventivmaßnahmen zu ergreifen, um Ausfallzeiten zu vermeiden. Neben der Verbesserung der Effizienz von Verbrennungs- und Umwandlungsprozessen hilft das Überwachungssystem auch bei der Optimierung des Rohstoffeinsatzes und des Energieverbrauchs. Auf diese Weise kann sich das AVEVA PI System positiv auf die betriebliche Effizienz und Rentabilität auswirken, da es den Betreibern ermöglicht, basierend auf genaueren Daten bessere Entscheidungen zu treffen. So gelang es dem Systemanwender Liberty Ostrava, in nur einem Jahr die Produktionsverluste um 10 Prozent zu senken und die Qualität um 15 Prozent zu steigern. Das bedeutete Einsparungen von Hunderttausenden von Dollar pro Monat.

Mit der Implementierung der neuen EAF- und DRI-Technologien können diese Einsparungen exponentiell steigen. Um die Folgen anstehender Neuerungen (etwa Technologien für grünen Stahl) besser einzuschätzen, kommen Digital Twin Technologien – digitale Zwillinge – zum Einsatz.

Liberty Ostrava verwendet auch die Digital Twin Lösungen von AVEVA, um seinem Betrieb zu modernisieren und optimieren. Diese erstellen ein cloudbasiertes virtuelles Modell der Anlage, mit dem Ingenieure in der Lage sind, eine neue Steuerungslogik anhand von Bedienergrafiken in einem virtuellen Inbetriebnahme-Szenario zu testen. So können sie potenzielle Fehler minimieren und die Prozesse für das An- und Abfahren der Anlagen optimieren. Dafür bietet der digitale Zwilling eine visuelle Darstellung der elektrischen und automatisierungstechnischen Funktionen des Stahlwerks mit der Möglichkeit, tiefer in die Ofenbetriebsprozesse einzutauchen.

Werkzeuge wie der digitale Zwilling von ETAP dienen außerdem dazu, bestehende elektrische Netzeigenschaften zu simulieren und die Auswirkungen von Änderungen am elektrischen System einer Anlage zu testen und zu messen, ohne das aktive System zu stören. Werden beide Tools genutzt, können Ingenieure mit dem digitalen Zwilling Sollwerte optimieren und gleichzeitig Parameter wie die Gaszufuhr oder chemische Reaktionen überwachen. Die Ergebnisse sind eine Reduzierung der Kohlendioxid-Emissionen, eine höhere Prozessstabilität und Energieeinsparungen – wichtige Vorbereitungen vor der Umstellung auf grünen Stahl.

Darüber hinaus ist das AVEVA PI System in der Lage, Sensor- und Anlagendaten zu konsolidieren, was eine erweiterte Überwachung wichtiger Prozesse und eine fortschrittliche Analyse nahezu in Echtzeit ermöglicht. So werden verbesserte Wartungsstrategien wie die vorausschauende Wartung möglich.