Heiße Schlacke als Abwärmequelle nutzen

Forschungsprojekt zur Nutzung von Schlacke zur Energierückgewinnung für das lokale Fernwärmenetz.

In Zusammenarbeit mit interdisziplinären Partnern entwickelt und erprobt das Fraunhofer Institut Umsicht eine Technologie, um die unvermeidbare Abwärme von Stahlwerksschlacken zukünftig für die netzgebundene Wärmeversorgung zu nutzen. Das Projekt „SchlaGie: Nutzung von Schlacke zur Energierückgewinnung für das lokale Fernwärmenetz“wird beispielhaft am Standort der thyssenkrupp MillServices & Systems in Duisburg durchgeführt. Ziel ist, den Anteil industrieller Abwärme in Wärmenetzen signifikant zu erhöhen.

Beitrag zur Entwicklung klimaneutraler Energiesysteme

In der Stahlindustrie fällt ein großer Anteil unvermeidbarer Abwärme an – sowohl bei der Reduktion von Eisenerz als auch bei der Konvertierung von Roheisen zu Stahl. Bislang wird diese industrielle Abwärme aber nur anteilig intern genutzt oder in Fernwärmenetze eingespeist. Das liegt vor allem an technischen und ökonomischen Herausforderungen.
Eine signifikante, bisher ungenutzte Abwärmequelle ist die heiße Schlacke (bis zu 1500°C), die bei der Stahlerzeugung im Linz-Donawitz-Verfahren entsteht – sowohl heute als auch nach der Transformation hin zur grünen Stahlproduktion. Sie wird bislang in Beete abgekippt, in denen sie abkühlt und erstarrt. Nach ausreichender Abkühlung wird sie zerkleinert, aufbereitet und unter anderem in der Bauindustrie eingesetzt. Im Projekt SchlaGie wird ein Verfahren entwickelt und erprobt, das die derzeit an die Umgebung abgegebene Strahlungswärme berührungsfrei aufnehmen soll. Durch die Nutzung dieser LD-Schlacke zur Energierückgewinnung für das lokale Fernwärmenetz lassen sich CO2-Emissionen und Primärenergiefaktor verringern.
Die Projektergebnisse können somit einen wichtigen Beitrag zur Entwicklung neuer klimaneutraler Energiesysteme leisten und die kommunale Wärmeplanung unterstützen. Die gewonnenen Erkenntnisse können zudem auf weitere Standorte der Stahlindustrie sowie Anwendungsfelder mit vergleichbaren Abwärmen (Abkühlen vom Schmelzen in Gießereien, heiße Kraftwerksaschen, Zementindustrie) übertragen werden.

Von der Analyse der Stoffeigenschaften zum Demonstrator zur Nutzung der Schlackenabwärme

Ausgangspunkt des Projekts bildet die Bestimmung der chemischen und thermophysikalischen Stoffeigenschaften der LD-Schlacke. Dafür werden mehrere Proben entnommen, im Labor homogenisiert, aufgemahlen und mit etablierten Verfahren detailliert untersucht. Darauf aufbauend erfolgen Laborversuche, mit denen die realen thermischen Bedingungen des Schlackebeets simuliert und die zuvor ermittelten Stoffdaten validiert werden können.
Mittels der ermittelten Stoffdaten und unter Berücksichtigung des derzeitigen Schlackendurchsatzes am Standort Duisburg werden thermodynamische Berechnungen zur Bestimmung der potenziellen Wärmeabgabe der Schlacke und der Wärmeaufnahme eines Strahlungs-Receivers durchgeführt. Auf dieser Basis wird ein dynamisches Simulationsmodell erstellt, um die diskontinuierliche Abwärmenutzung und deren Integration in das bestehende Fernwärmenetz sowie verschiedene Kombinationen von Sekundärfluiden, Wärmeübertragergeometrien und Wärmespeichern abzubilden und zu untersuchen.
Mithilfe der Erkenntnisse aus der Simulation und unter Berücksichtigung sicherheits- und genehmigungsrelevanter Aspekte wird ein Demonstrator zur effizienten Nutzung der Schlackenabwärme konzipiert. Der entwickelte Strahlungs-Receiver soll dabei weder die bisherigen Prozessabläufe noch die weitere werthaltige Nutzung beeinflussen. Auf dieser Grundlage wird ein Demonstrator errichtet und in Betrieb genommen. Neben den realen Betriebsdaten wird die abgekühlte Schlacke auf ihre Zusammensetzung und ihre physikalischen Eigenschaften untersucht, um eine Qualitätsbeeinflussung durch den Receiver auszuschließen.
Mithilfe der aus der Simulation und dem Demonstrator generierten Daten werden Wirtschaftlichkeits- und CO2-Analysen durchgeführt und das technische Potenzial abgeschätzt. Damit lassen sich die spezifischen Kosten für die Bereitstellung von Fernwärme aus der bisher ungenutzten, unvermeidbaren Schlackenabwärme abschätzen.
Quelle: Fraunhofer Umsicht