Luft zerlegen und verflüssigen, wenn es günstig ist

Die Kraft aus Sonne und Wind nutzen, ist das Herzstück der Energiewende. Doch den volatilen Ökostrom einzuspeisen und zeitgleich das Netz stabil zu halten, ist weiterhin eine schwierige Aufgabe. Die Industrie kann dabei unterstützen, indem sie ihre Produktion und die notwendigen Prozesse den natürlichen Schwankungen anpasst. Linde Engineering will mit dem FLEXASU®-Projekt einen wichtigen Beitrag für das Gelingen der Energiewende leisten.

Gerade noch peitschten Sturmböen über den Windpark. Kurze Zeit später umweht nur noch eine schwache Brise die Rotoren. Die Stromernte fällt extrem unterschiedlich aus. Für die Energienetze sind solche Situationen eine echte Herausforderung: Sie müssen diese Leistungsschwankungen ausgleichen – tagsüber und nachts. Denn um Strom sicher, zuverlässig und rund um die Uhr bereitzustellen, müssen Erzeugung und Verbrauch optimal aufeinander abgestimmt sein. „Die Energiewende und damit der wachsende Anteil an erneuerbaren Energien machen die Netze instabil. Zum notwendigen Ausgleich kann auch die Industrie beitragen, indem sie ihre Anlagen flexibilisiert und mehr elektrischen Strom abnimmt, wenn er im Überfluss da ist“, sagt Dr. Christoph Windmeier, technischer Projektleiter des FLEXASU-Projekts bei Linde Engineering. „Im einfachsten Fall bedeutet das, auf Vorrat zu produzieren, wenn Energie im Überschuss vorhanden und deshalb besonders günstig ist. Umgekehrt lässt sich dieser Vorrat nutzen, um die Produktion senken zu können, wenn Energie knapp und damit teuer ist.“ Eine solche intelligente Anpassung heißt Demand Side Management (DSM), zu Deutsch Lastmanagement: Mit diesem Vorgehen lässt sich nicht nur das Energienetz entlasten, sondern es ergibt auch Kostenvorteile für die Betreiber.

Mit unserem neuen FLEXASU®-Konzept unterstützen wir die Energiewende.
Das Linde FLEXASU® Konzept kann zum notwendigen Ausgleich der instabilen Netze beitragen.
Das FLEXASU® Konzept kann zum notwendigen Ausgleich der instabilen Netze beitragen. Das bedeutet, auf Vorrat zu produzieren, wenn Energie im Überschuss vorhanden und deshalb besonders günstig ist. Umgekehrt lässt sich dieser Vorrat nutzen, um die Produktion senken zu können, wenn Energie knapp und damit teuer ist.

Luftzerlegungsanlagen flexibler machen

Ein einfaches und einleuchtendes Konzept, das aber auch eine Reihe technischer Herausforderungen birgt. Um die Energiewende zu unterstützen, arbeitet Linde Engineering deswegen am sogenannten FLEXASU®–Konzept. Es läuft im Rahmen des Kopernikus-Förderprojektes SynErgie des Bundesministeriums für Forschung und Bildung in Kooperation mit externen Partnern. „Bei FLEXASU passen Luftzerlegungsanlagen, kurz ASU für Air Separation Unit, ihre Produktion von Gasen beziehungsweise verflüssigten Gasen wie Sauerstoff oder Stickstoff an äußere Rahmenbedingungen an“, erklärt Stefan Lochner, Projektleiter des FLEXASU-Projekts bei Linde Engineering. Dank des neuen Konzepts gelingt dies, ohne die mittlere Produktion einzuschränken und so die Versorgung des Kunden weiterhin sicherzustellen. „Bislang wurden ASUs für einen kontinuierlichen Betrieb konzipiert. Lastwechsel traten daher selten und hauptsächlich im Wartungsfall auf. Im Zuge der Energiewende könnte das aber künftig zum Alltag gehören“, erklärt Andreas Obermeier, Ingenieur bei Linde Engineering. „Deswegen geht es uns bei FLEXASU darum, Anlagen für diese Aufgaben optimal auszulegen und zu betreiben“, ergänzt Lochner. Zum einen müssen die Linde-Ingenieure die Anlagenkomponenten an eine dynamische Betriebsweise anpassen und Designänderungen vornehmen. Zum anderen bedeutet ein flexibler Betrieb mit häufigen Lastwechseln auch, dass auch die Steuerungs- und Regeltechnik weiterentwickelt werden muss.

Flexibilität braucht Adaptionen des Anlagendesigns

Um Anlagenschäden vorzubeugen, nehmen die Linde-Experten sämtliche Einzelteile einer ASU genauestens unter die Lupe und modifizieren, wo nötig, ihr Design – und gestalten es robuster: Höhere Wandstärken für Rohrleitungen sind beispielsweise eine solche Maßnahme, die eine höhere Anzahl von Druckwechseln erlauben. Ebenso passen die Ingenieure weitere flankierende Komponenten wie Ventile, Kompressoren und Pumpen an. „Wie bei einem Puzzle sind es viele Einzelstücke, die in ihrer Gesamtheit dazu beitragen, eine Luftzerlegungsanlage auf mehr Flexibilität zu trimmen“, erklärt Linde-Experte Windmeier. „Wir erreichen beispielsweise schon viel, indem wir eine zusätzliche Pumpe einbauen, die flüssige Produkte aus den Tanks zurück in die Anlage führt und so ihre Leistungsaufnahme reduziert“, fügt Obermeier hinzu. „Bei manchen Anlagen lässt sich so die Leistung innerhalb von etwa zehn Minuten um 80 Prozent senken.“ Ein weiteres Puzzlestück, das mehr Flexibilität bringt, sind etwas größere Tanks, um die produzierten Flüssiggase zu speichern. Je mehr ein Tank davon aufnehmen kann, desto flexibler kann die ASU arbeiten. Lochner: „Die Intention ist, dass wir durch einen größeren Tank die durch den Strommarkt hervorgerufenen Schwankungen mithilfe einer höheren Produktspeicherkapazität abpuffern.“ Diese Maßnahme bringt auch mehr Versorgungssicherheit für die Linde-Kunden.

Luftzerlegungsanlage in Roethenbach, Deutschland

Die Vorteile der Digitalisierung nutzen

Für Linde Engineering bedeutet FLEXASU aber nicht nur, die Hardware-Komponenten für einen dynamischen Betrieb fit zu machen. Die Experten haben ein Tool entwickelt, das eine optimale Fahrweise der Anlage bestimmen kann. Dafür werden auch die Prognosen am Energiemarkt berücksichtigt sowie die Planung der Produktmenge. Big Data bietet hier noch weitere Möglichkeiten, derartige Vorhersagen in hoher Güte zu generieren: „Externe Dienstleister bieten beispielsweise bereits Tools an, die die Entwicklungen am Energiemarkt vorhersagen und dafür Wetteraufzeichnungen mit Daten tagesaktueller Geschehnisse kombinieren“, sagt Obermeier. „All diese Entwicklungen werden nicht nur die Energiewende vorantreiben. Wenn Anlagen für diese Herausforderungen gewappnet sind, bringt das auch wirtschaftliche Vorteile.“

Luftzerlegungsanlage in Roethenbach, Deutschland

Im Auftrag der Flexibilität

Bis es soweit ist, laufen im Technikum von Linde Engineering in Zusammenarbeit mit Experten der Technischen Universität München Messreihen zu diversen Fragestellungen: Welchen Belastungen sind beispielsweise Wärmeübertrager beim flexiblen Betrieb ausgesetzt? Was hat das für Auswirkungen auf das Material? Wie lassen sich solche Belastungen minimieren? Weitere Kooperationspartner wie zum Beispiel MAN und die Universität der Bundeswehr in München entwickeln eine verbesserte Kompressor-Technologie. Die RWTH Aachen arbeitet an einer optimalen Steuerungs- und Regeltechnik für den flexiblen Betrieb. „Erste Erkenntnisse und daraus abgeleitete Modifikationen fließen in das Design einiger aktueller Anlagen. Wir haben bereits eine moderne Luftzerlegungsanlage mit Prozessanpassungen realisiert“, erklärt Lochner. „Dort werden Sauerstoff und Stickstoff in flüssiger Form für den Markt produziert und per LKW zum Kunden transportiert.“

Auf dem Weg zu Marktreife

Noch ist das FLEXASU-Projekt nicht abgeschlossen, aber die Linde-Ingenieure ernten schrittweise erste Früchte: Einzelne Maßnahmen, die eine flexible Betriebsweise ermöglichen, haben bereits die Marktreife erreicht oder stehen kurz davor. Zudem will Linde Engineering die gewonnen Erkenntnisse nutzen, um beispielsweise auch Altanlagen modernisieren und diese fit für einen flexiblen Betrieb machen zu können. „Bis zu einem gewissen Grad wird das möglich sein“, sagt Obermeier. „Aber es wird – vereinfacht gesagt – eben nicht reichen, nur ein digitales Tool in eine Anlage zu integrieren oder zusätzliche Pumpen einzubauen.“ Um die Potenziale bestmöglich auszuschöpfen, die ein dynamischer Betrieb verspricht, müssen sämtliche Hardware-Komponenten perfekt miteinander harmonieren. FLEXASU ist mehr als ein technisches Konzept: Es unterstützt nicht nur die Energiewende seitens der Industrie, sondern es bedeutet auch einen Paradigmenwechsel hinsichtlich des Designs und Betriebs von Luftzerlegungsanlagen.

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