Stromspeicher Aluminium-Industrie

TRIMET zeigt, dass die Aluminiumherstellung erhebliche Speicherkapazitäten für das Stromnetz bereitstellen kann.

Modellierungen des zukünftigen Stromsystems ergeben, dass unabhängig vom wachsenden Anteil an erneuerbaren Energien ab 2020 eine residuale Spitzenlast von 60 bis 70 Gigawatt verbleibt, die es zu decken gilt. In dieser Größenordnung müssen also Leistungen flexibel bereitgestellt werden. Ein Weg ist das Lastenmanagement durch die Industrie, konkret: Die Flexibilisierung energieintensiver Produktionsprozesse. Große Potenziale sehen Experten zum Beispiel in der Papier- und Zementindustrie sowie der Chlorelektrolyse. Doch der Aluminium-Hersteller TRIMET Aluminium SE zeigte im Forschungsprojekt „Virtuelle Batterie“, dass auch die Aluminiumelektrolyse zum Lastenmanagement im Stromnetz der Zukunft beitragen kann. Die Universität Wuppertal stand TRIMET dabei als wissenschaftlicher Partner im von der EU geförderten Projekt zur Seite, das sich zusätzlich als Vorreiter-Projekt für die KlimaExpo.NRW qualifizierte.

Aluminiumelektrolyse als industrieller Akku

Die Aluminiumelektrolyse ist ein energieintensives Verfahren zur Herstellung des Rohstoffs und bietet Potenziale für das Lastenmanagement im Stromnetz der Zukunft. Foto: TRIMET Aluminium SE

Grundlage der Aluminiumproduktion ist Aluminiumoxid (Al2O3), aus dem in einer Schmelzflusselektrolyse primäres Aluminium hergestellt wird. Dabei wird das chemisch sehr stabile Aluminiumoxid aufgebrochen, was den hohen Energiebedarf verursacht. Wie hoch dieser bei der Aluminiumelektrolyse ist, zeigt der Stromverbrauch von TRIMET: Für die Aluhütten in Essen, Hamburg und Voerde fallen im Jahr, so die Angaben des Unternehmens etwa, sechs Milliarden Kilowattstunden Strom an. Das entspricht dem gemeinsamen Verbrauch der Großstädte Essen, Bochum und Dortmund. Derlei energieintensive Produktionsprozesse werden schon gemäß der Abschaltbaren- Lasten- Verordnung (AbLaV) als Puffer zum Ausgleich von Differenzen zwischen Angebotsund Nachfrageseite genutzt. TRIMET leistet in diesem Rahmen bereits seit einigen Jahren einen Beitrag zur Netzstabilisierung. So wurden die Aluwerke in Essen im vergangenen Oktober fünfmal für mehrere Minuten abgeschaltet und so innerhalb kürzester Zeit über 270 Megawatt Strom für das Netz zur Verfügung gestellt. Als Dauerlösung taugt diese Option nicht. Ein Schritt in die richtige Richtung wäre vielmehr eine Flexibilisierung des Produktionsprozesses, anstatt die Aluhütten komplett an- oder abzuschalten. Einer flexibleren Gestaltung der Aluminiumelektrolyse widmete sich TRIMET im Forschungsprojekt. „Wir wollen die Elektrolyseöfen als Energiespeicher flexibel nutzbar machen“, sagt Dr. Roman Düssel, Abteilungsleiter Elektrolyse bei TRIMET.

Für deren Ausgestaltung rückte die grundsätzliche Funktion der Elektrolyse in den Fokus. Die Elektrolysezellen einer Aluminiumhütte transformieren elektrische in chemische Energie, indem sie das energiearme Ausgangsprodukt Aluminiumoxid in energiereiches Aluminium umwandeln. Dasselbe Prinzip kommt beim Ladevorgang von Akku- mulatoren zum Einsatz. Der fortführende Gedanke von TRIMET: Wird der Ladestrom und damit die Erzeugung des Energiespeicherprodukts Aluminium zeitlich variiert, entspricht die dadurch erzielte, steuerbare Energieaufnahme aus Sicht des Netzes exakt der Funktion einer Batterie. Auf Basis dieses Grundgedankens entwickelte TRIMET zusammen mit der Bergischen Universität Wuppertal das, nach eigenen Angaben, erste Verfahren zur Herstellung von Aluminium bei schwankendem Energieangebot.

Die Herausforderung: Flexible Elektrolyseöfen

Die Flexibilisierung der Energiezufuhr für die Aluminiumelektrolyse ist aus unterschiedlichen Gründen eine Herausforderung, denn Elektrolyseöfen sind immer für eine bestimmte Stromstärke und Energiezufuhr konstruiert. Der elektrische Widerstand der Öfen ist durch die gegebene Geometrie und die eingesetzten Materialien festgelegt, sodass die zugeführte Energie und damit auch die im Ofen entstehende Wärme grundsätzlich auf die Konstruktion abgestimmt sind. Hinzu kommt, dass das Metall einem durch die Stromstärke erzeugten Magnetfeld unterliegt, welches durch die Lorenzkraft eine spezifische Wölbung des Metalls im Elektrolyseofen erzeugt. Bei einer Leistungsänderung verändert sich die Stärke des Magnetfeldes und somit die Wölbung des Metalls im Ofen. Kurzum: Verändert sich die Stromstärke und Energiezufuhr im Herstellungsprozess, wirkt sich das auf die sehr sensible Energiebilanz des Ofens aus, wie TRIMET beschreibt. Dies könne zu Energieverlusten und massiven Produktionsstörungen bis hin zum irreparablen Ausfall der Öfen führen. Um die Leistungsaufnahme der Elektrolyseöfen zu variieren und sie damit als flexible Last zur Verfügung zu stellen, müssen sie aber mit veränderbaren Stromstärken betrieben werden können. Das bedeutet für TRIMET: Für die Flexibilisierung der Aluminiumproduktion müssen die Öfen zwingend auf die Stromstärke und Wärmeentwicklung einstellbar sein.

Das thermische Problem – die Wärmeentwicklung – löste TRIMET mit der Entwicklung regelbarer Wärmetauscher. Deren Aufgabe ist es, die Energiebilanz im Ofen bei unterschiedlichen, aus Veränderungen der zugeführten elektrischen Energie resultierenden Belastungssituationen aufrecht zu erhalten. Bei erhöhter Energiezufuhr kühlen steuerbare Ventilatoren die Umgebungsluft. Die direkt an der Ofenwand angebrachten Wärmetauscher leiten diese vertikal an der Zellwand entlang. Dagegen wird bei verringerter Wärmezufuhr die Luft im Wärmetauscher gestaut und erzeugt damit eine isolierende Schicht – ähnlich wie bei einer Thermoskanne. Um wiederum den Einfluss des Magnetfeldes im Elektrolyseofen zu verringern, muss das Stromschienensystem des Ofens mit zusätzlichen Stromschienen ausgelegt werden, sodass es das im Ofen entstehende Magnetfeld kompensiert.

Speicherkapazität ohne Landschaftsverbrauch

Modell eines Elektrolyseofens mit Wärmetauscher. Foto: TRIMET Aluminium SE

In einer Pilotanlage in Essen wurden die Erkenntnisse des Forschungsprojektes umgesetzt. Die dadurch erzielte Flexibilisierung des Prozesses ermöglicht es, die Aluminiumelektrolyse als virtuelle Batterie mit einer Speicherkapazität von etwa 110 Megawattstunden zu nutzen. Allerdings ist das Verfahren noch mit einer Verschlechterung des Prozesswirkungsgrades verbunden. TRIMET forscht derzeit noch, wie hoch der Verlust des Wirkungsgrades tatsächlich ist, geht aber von Größenordnungen von bis zu fünf Prozent aus. Mithilfe der aus dem fortlaufenden Projekt gewonnenen Datenmenge sollen weitere Anpassungen für die Elektrolyseöfen entwickelt werden, die die Energieeffizienz des Prozessmodells verbessern sollen, erklärt Dr. Düssel. Auch soll der Produktionsaustritt bei wechselndem Energieeintrag in die Elektrolysezelle durch ein Reservoir an flüssigem Aluminium stabil gehalten werden. Dieser Puffer kann TRIMET zufolge etwa 48 Stunden vorhalten und den gleichbleibenden Aluminiumfluss zu nachfolgenden Verarbeitungsstufen gewährleisten.

Für einen Großversuch im industriellen Maßstab baut TRIMET derzeit eine komplette Elektrolyselinie mit insgesamt 120 Elektrolysezellen im Essener Werk um. Wenn das Modell Erfolg hat, stehen mit dieser ersten Umsetzung alleine in Essen +/- 1.100 Megawattstunden Kapazität und +/- 23 Megawatt Speicherleistung zur Verfügung, erklärt TRIMET. Dr. Düssel: „Nimmt man alle Aluhütten in Deutschland zusammen, kann mit einer Flexibilisierung ihrer Elektrolyseöfen von +/- 25 Prozent insgesamt eine Kapazität von 26.400 Megawattstunden erreicht werden. Das ist so viel, wie zwei Drittel aller Pumpspeicher in Deutschland mit einer Kapazität von 40.000 Megawattstunden.“ Dabei entfällt gleichzeitig die Notwendigkeit, Landschaften für neue Speicherkraftwerke zu erschließen.

Kontakt: TRIMET Aluminium SE, Dr. Roman Düssel, 45356 Essen, Tel. +49 (0) 201 3660, Roman.Duessel@trimet.de

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