TECHNISCHES GEBIET
[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Regelungsverfahren zum Betreiben einer Zelle
einer Schmelzflusselektrolyseanlage, insbesondere zur Herstellung von Aluminium. Ferner
betrifft die vorliegende Erfindung eine Schmelzflusselektrolyseanlage, insbesondere
zur Herstellung von Aluminium, mit einer Schmelzflusselektrolysezelle.
STAND DER TECHNIK
[0002] In vielen Industrienationen der Welt wird geplant und zum Teil bereits umgesetzt,
die Energieversorgung hin zu sogenannten regenerativen Energien zu verschieben, um
die Erzeugung von möglicherweise klimaschädlichen Gasen wie CO
2 deutlich zu reduzieren und um von fossilen Energieträgern zunehmend unabhängig zu
werden.
[0003] Die regenerativ bereitgestellte Energie kann aufgrund bisher nicht in geeignetem
Umfang verfügbarer Speichermedien nicht gespeichert und anschließend in Abhängigkeit
des Strombedarfs abgerufen werden. Ferner kann die regenerative Energie nur dann in
das Stromnetz eingespeist werden, wenn die entsprechenden Energiequellen, insbesondere
die volatilen Energiequellen aus Wind und Sonne, die Umwandlung in elektrische Energie
und deren Einspeisung in das Stromnetz ermöglichen. Die sich im Stromnetz befindlichen
Abnehmer müssten also ihren elektrischen Energiebedarf weitestgehend an die Einspeisung
durch regenerative Energieträger anpassen, soweit auf fossile Energieträger als Puffer
verzichtet wird.
[0004] Besonders betroffen von diesem Trend sind Industriezweige, die einen sehr hohen Energiebedarf
haben, weil deren Stromabnahme sich nicht ohne weiteres in den allgemeinen Strombedarf
einfügt und daher kaum durch andere Stromabnehmer ausgeglichen werden kann. Hierzu
zählt insbesondere die Aluminiumherstellung, aber auch andere Industriezweige insbesondere
aus der Chemieindustrie sind von dieser Entwicklung stark betroffen.
[0005] Eine verstärkte Nutzung von volatilen Energiequellen hat nicht nur zur Folge, dass
der Preis für die Bereitstellung elektrischer Energie insgesamt steigt, sondern auch
dass die Verfügbarkeit von ausreichend großen elektrischen Energiemengen im Stromnetz
nicht immer sichergestellt sein kann. Aus diesem Grund besteht das Problem, dass Industrieanlagen
insbesondere aus dem energieintensiven Bereich in Gegenden mit diskontinuierlicher
Stromversorgung voraussichtlich nicht mehr wirtschaftlich arbeiten können.
[0006] Bisher wird eine Schmelzflusselektrolysezelle über die der Zelle zugeführte Stromstärke
gesteuert, wobei feste Annahmen zum thermodynamischen Gleichgewicht der Schmelzflusselektrolysezelle
getroffen werden. Dies ist bei gleichbleibenden Randbedingungen, insbesondere Stromaufnahme,
elektrischer Zellenwiderstand, thermische Auslegung der Schmelzflusselektrolysezelle
oder gleichbleibende Abgasabfuhr, zuverlässig möglich.
[0007] Bekannte Schmelzflusselektrolyseverfahren sind also im regelungstechnischen Sinne
Steuerungsverfahren, die sich auf konstante, sehr gut vorbestimmbare Randbedingungen
verlassen können. In relativ großen Abständen, beispielsweise einmal täglich, wird
die Temperatur der Schmelze im Innern der Schmelzflusselektrolysezelle bestimmt. Ferner
wird ebenfalls in relativ großen Abständen, beispielsweise im Anschluss an die Bestimmung
der Temperatur der Schmelze, die Erstarrungstemperatur bestimmt. Ein anderer Ansatz
basiert auf der Bestimmung des AlF
3-Gehalts der Schmelze. Auf der Basis dieser Werte wird durch eine gegebenenfalls erforderliche
Anpassung der über die Schmelzflusselektrolysezelle abfallenden Spannung die Dicke
der Kruste in einem praktikablen Bereich gehalten. Beispielsweise wird bei einer Schmelzflusselektrolysezelle
angenommen, dass die Kruste eine geeignete Dicke hat, wenn die Temperatur der Schmelze
8°C über deren Erstarrungstemperatur liegt.
[0008] Aus der deutschen Patentanmeldung
DE 10 2011 078656 A1 der Anmelderin geht ein Verfahren zum Betreiben einer Schmelzflusselektrolyseanlage
hervor, bei dem die Schmelzflusselektrolyseanlage so gesteuert wird, dass die von
ihr aufgenommene Menge an elektrischer Leistung an die gleichzeitig durch eine volatile
Energiequelle eingespeiste Menge an elektrischer Leistung angepasst ist. Gemäß dem
dort beschriebenen Verfahren lässt sich die Schmelzflusselektrolyseanlage als "virtuelle
Batterie" im Stromnetz verwenden. Der Stromverbrauch der Schmelzflusselektrolyseanlage
wird, innerhalb der Systemgrenzen der Anlage, an die im Stromnetz vorhandene Energiemenge
durch eine entsprechende Steuerung der Stromaufnahme angepasst. Bei einer erhöhten
Stromaufnahme wird überschüssige Energie durch Wärmetauscher an der Zellenwand der
Schmelzflusselektrolysezelle abgeführt, um ein vollständiges Abschmelzen der Kruste
im Inneren der Schmelzflusselektrolysezelle zu verhindern. Bei reduzierter Stromaufnahme
wird durch die Wärmetauscher der Temperaturgradient an der Seitenwand der Schmelzflusselektrolysezelle
reduziert, um ein zu großes Anwachsen dieser Kruste zu verhindern.
[0009] Angesichts der aus
DE 10 2011 078656 A1 bekannten Erfindung besteht jedoch noch Verbesserungsbedarf beim Betrieb der Schmelzflusselektrolyseanlage,
weil die Steuerung des Betriebs der Schmelzflusselektrolysezellen durch variable Stromaufnahme
und gegebenenfalls damit gekoppelte zusätzliche Wärmeabfuhr oder Wärmezufuhr ungenau
ist und daher noch keinen gesicherten Produktionsablauf bei variabler Stromstärke
zulässt.
[0010] Um diesem Problem zu begegnen, stellt sich die vorliegende Erfindung die Aufgabe,
ein Verfahren zum Betreiben einer Zelle einer Schmelzflusselektrolyseanlage, insbesondere
zur Herstellung von Aluminium, sowie eine Schmelzflusselektrolyseanlage, insbesondere
zur Herstellung von Aluminium, mit einer entsprechenden Schmelzflusselektrolysezelle
bereitzustellen, wodurch ein wirtschaftlicher und prozesssicherer Produktionsablauf
beim Betrieb der Schmelzflusselektrolyseanlage auch unter der Voraussetzung schwankender
Verfügbarkeit von elektrischer Energie im Stromnetz möglich ist.
[0011] Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Regelungsverfahren und
eine Schmelzflusselektrolyseanlage des oben beschriebenen technischen Gebiets bereitzustellen,
wodurch die Schmelzflusselektrolyse bei variabler Verfügbarkeit elektrischer Energie
sicher betrieben werden kann, insbesondere ohne die Schmelzflusselektrolysezellen
zusätzlich zu belasten oder die Effizienz der Schmelzflusselektrolyse, insbesondere
der Herstellung von Aluminium, herabzusetzen.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
[0012] Ein erfindungsgemäßes Regelungsverfahren ist in Anspruch 1 definiert. Eine erfindungsgemäße
Schmelzflusselektrolyseanlage ergibt sich aus Anspruch 8. Eine erfindungsgemäße Verwendung
des Regelungsverfahrens oder der Schmelzflusselektrolyseanlage ergibt sich aus Anspruch
14. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
[0013] Das erfindungsgemäße Regelungsverfahren zum Betreiben einer Zelle einer Schmelzflusselektrolyseanlage,
insbesondere zur Herstellung von Aluminium, ist dadurch gekennzeichnet, dass eine
erste Regelgröße eine Wärmebilanz der Zelle ist.
[0014] Im vorliegenden Zusammenhang wird unter einer "Regelung" beziehungsweise unter dem
"Regeln" ein Vorgang verstanden, bei dem fortlaufend eine Größe, die "Regelgröße",
erfasst, mit einer anderen Größe, der "Führungsgröße", verglichen und im Sinne einer
Angleichung an die Führungsgröße beeinflusst wird. Für das Regeln ist der geschlossene
Wirkungsablauf, bei dem die Regelgröße im Wirkungsweg des Regelkreises fortlaufend
sich selbst beeinflusst, kennzeichnend. Im vorliegenden Zusammenhang wird unter einer
"Regelung" beziehungsweise unter dem "Regeln" ferner ein Vorgang verstanden, bei dem
fortlaufend die "Regelgröße" simuliert statt gemessen, mit der "Führungsgröße" verglichen
und im Sinne einer Angleichung an die Führungsgröße beeinflusst wird. Auch bei dieser
Form des Regelns im vorliegenden Sinne ist der geschlossene Wirkungsablauf, bei dem
die Regelgröße im Wirkungsweg des Regelkreises fortlaufend sich selbst beeinflusst,
kennzeichnend. Allerdings kann nach Erstellung eines Simulationsprogramms beispielsweise
für den Wärmeaustrag aus einer Schmelzflusselektrolysezelle auf eine unmittelbare
oder mittelbare Messung des Wärmeaustrags verzichtet und dieser stattdessen auf der
Grundlage einer Simulation des Wärmeaustrags bestimmt werden.
[0015] Bisher war der ausschließliche Garant für ein stabiles Schmelzflusselektrolyseverfahren
im vorliegenden Zusammenhang eine gleichbleibende Elektrolyttemperatur in der Zelle.
[0016] Bei variierenden Energieverfügbarkeiten im Stromnetz, muss von der bisherigen Betriebsweise
abgewichen werden. Statt einer Steuerung des Betriebs der Schmelzflusselektrolysezelle
mit dem Ziel einer gleichbleibenden Elektrolyttemperatur und Krustendicke wird erfindungsgemäß
der Betrieb der Schmelzflusselektrolysezelle geregelt, und zwar so, dass die Elektrolyttemperatur
sich in einem relativ breiten Temperaturband befindet. Dies wird erfindungsgemäß durch
die regelungstechnische Berücksichtigung der Wärmebilanz bewirkt.
[0017] Unter der Wärmebilanz wird im vorliegenden Zusammenhang eine Energiebilanz verstanden,
welche die in die Schmelzflusselektrolysezelle eintretende elektrische Energie und
die aus der Schmelzflusselektrolysezelle austretende Wärmeenergie berücksichtig. Bevorzugt
wird im Fall einer Aluminiumelektrolyseanlage bzw. Aluminiumelektrolysezelle ferner
der für die Produktion von Aluminium verwendete Anteil der in die Aluminiumelektrolysezelle
eintretenden elektrischen Energie bestimmt. Alternativ kann dieser Anteil der in die
Aluminiumelektrolysezelle eintretenden elektrischen Energie als konstant angenommen
und der als Wärme in die Aluminiumelektrolysezelle eingebrachte Anteil aus der Differenz
zwischen der gesamten elektrischen Energie und der als konstant angenommenen für die
Produktion verwendeten Energie bestimmt werden.
[0018] Erfindungsgemäß wird folglich die Wärmebilanz der Schmelzflusselektrolysezelle ermittelt
und der Betrieb der Schmelzflusselektrolysezelle auf der Grundlage der Wärmebilanz
als Regelgröße geregelt.
[0019] Bevorzugt wird beziehungsweise werden ein Thermoelement und/oder eine Vorrichtung,
insbesondere eine Messvorrichtung, zur Bestimmung eines Volumenstroms einer Abluft
von der Zelle und/oder eine Vorrichtung, insbesondere eine Messvorrichtung, zur Bestimmung
eines Volumenstroms eines Wärmetransportfluids in einem Wärmetauscher an der Zelle
als ein Messglied oder mehrere Messglieder zur Bestimmung der ersten Regelgröße, d.h.
der Wärmebilanz, verwendet.
[0020] Bevorzugt werden mindestens 6, bevorzugt mindestens 12, weiter bevorzugt mindestens
30, weiter bevorzugt mindestens 60, Thermoelemente an der Zelle angeordnet, um die
Temperaturverteilung an der Zelle und damit auch die Wärmebilanz möglichst genau bestimmen
zu können.
[0021] Gemäß einer Ausführungsform werden nicht alle Schmelzflusselektrolysezellen einer
Schmelzflusselektrolyseanlage, insbesondere nur eine Schmelzflusselektrolysezelle
einer Schmelzflusselektrolyseanlage mit mehr als einer Schmelzflusselektrolysezelle
mit dem Thermoelement oder den mehreren Thermoelementen versehen. Dies vereinfacht
den konstruktiven Aufwand der Gesamtanlage und erreicht weitgehend das gewünschte
Ziel des geregelten Betreibens der Schmelzflusselektrolyseanlage.
[0022] Die Thermoelemente können einzeln oder gemeinsam als Messglied im regelungstechnischen
Sinne fungieren. Dies gilt grundsätzlich auch für die Vorrichtung zur Bestimmung des
Volumenstroms der Abluft von der Zelle, die alternativ oder zusätzlich zum Volumenstrom
den Massenstrom bestimmen kann und bevorzugt auch Informationen zur Temperatur der
Abluft bestimmen kann.
[0023] Eine solche Vorrichtung zur Bestimmung des Volumenstroms der Abluft von der Zelle
oder die Vorrichtung zur Bestimmung eines Volumenstroms des Wärmetransportfluids in
dem Wärmetauscher kann beispielsweise auch über die Bestimmung einer Drehzahl eines
Ventilators oder eines entsprechenden Elements funktionieren, dies auch indirekt,
beispielsweise über die Energieaufnahme oder das (Dreh-)Feld eines den Ventilator
antreibenden Elektromotors. Auf diese Weise ist es möglich, den Volumenstrom von Abluft
bzw. Wärmetransportfluid zu bestimmen, ohne ihn unmittelbar zu messen, weil der Volumenstrom
durch den Ventilator oder ein entsprechendes Element zumindest zu einem wesentlichen
Anteil erzeugt wird. Gleichwohl kann diese Bestimmung des Volumenstroms bei der Regelung
des Betriebs der Schmelzflusselektrolysezelle als "Messung" verarbeitet werden.
[0024] Das genannte Wärmetransportfluid kann insbesondere Luft sein, die beispielsweise
in einem grundsätzlich bekannten Wärmetauscher an der Zellenwand entlang geführt werden
kann. Auch hinsichtlich des Wärmetransportfluids kann neben dem Volumenstrom oder
anstelle des Volumenstroms ein Massenstrom bestimmt werden, und auch die Temperatur
des Wärmetransportfluids kann bevorzugt bestimmt werden. Der Wärmetauscher kann bei
Verwendung entsprechend temperierter Wärmetransportfluide auf das Ausmaß der Kühlung
bzw. des Wärmeverlusts der Schmelzflusselektrolysezelle und somit insbesondere die
Dicke der Kruste entlang ihres Randes Einfluss nehmen und somit in mehrfacher Hinsicht
die Wärmebilanz beeinflussen.
[0025] Bevorzugt ist das Regelungsverfahren, insbesondere die obengenannten Einrichtungen
Thermoelement, Messvorrichtung zur Bestimmung eines Volumenstroms einer Abluft von
der Zelle und Messvorrichtung zur Bestimmung eines Volumenstroms eines Wärmetransportfluids
in einem Wärmetauscher an der Zelle, zur kontinuierlichen Erfassung einer der Zelle
zugeführten Wärme und einer von der Zelle abgeführte Wärme geeignet und ausgestaltet.
Somit ist es besonders leicht möglich, die Wärmebilanz als Regelgröße zu nutzen. Neben
den obigen möglichen Messgliedern bestehen jedoch auch Alternativen wie Wärmekameras,
um bei der Bestimmung der Wärmebilanz zu unterstützen.
[0026] In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Zelle Seitenwände, einen Boden und
eine Abluftführung auf, wobei an oder in zumindest einer der Seitenwände, dem Boden
oder der Abluftführung, bevorzugt an oder in allen Seitenwänden und dem Boden und
besonders bevorzugt auch an oder in der Abluftführung angeordnete Thermoelemente als
Messglieder zur Bestimmung der Wärmebilanz verwendet werden. Alternativ ist es auch
möglich, nur einige der Seitenwände, nur den Boden, nur die Abluftführung oder Mischungen
hiervon für die Anordnung von Thermoelementen als Messglieder zu verwenden.
[0027] Bevorzugt wird mindestens ein Wärmetauscher und/oder mindestens eine Abgasstromklappe
und/oder eine chemische Zusammensetzung der Schmelze, insbesondere eine AlF
3 Dosierung, und/oder mindestens eine Traverse zur Positionierung mindestens einer
Anode in der Zelle als Stellglied zur Einwirkung auf einen Wärmeeintrag und/oder einen
Wärmeaustrag verwendet. Durch die obengenannten Elemente ist es möglich, den Wärmeeintrag
und/oder Wärmeaustrag in relativ weiten Grenzen zu variieren, wobei der Wärmeeintrag
beziehungsweise Wärmeaustrag als Stellgröße bei der Regelung der Wärmebilanz genutzt
werden. Grundsätzlich gibt es auch andere Möglichkeiten, den Wärmeeintrag beziehungsweise
Wärmeaustrag zu variieren, aber die oben genannten Elemente haben sich als besonders
wirkungsvoll im Zusammenhang mit Schmelzflusselektrolysezellen herausgestellt.
[0028] Bevorzugt wird bei einer Veränderung der von der Schmelzflusselektrolyseanlage oder
-zelle aufgenommenen Stromstärke, die maßgeblich den Energie- und damit auch den Wärmeeintrag
definiert, eine entsprechende Anpassung der über die Schmelzflusselektrolysezelle
abfallenden Spannung vorgenommen. Dies kann insbesondere durch eine Veränderung des
Abstands zwischen der Anode oder mehreren Anoden und der Kathode oder mehreren Kathoden
bewirkt werden. Ein Ansteigen des Stroms bringt dabei grundsätzlich mehr Wärme in
die Schmelzflusselektrolysezelle, während ein Reduzieren der Spannung, d.h. ein Reduzieren
des Abstands zwischen den Elektroden, zu einem grundsätzlich geringeren Wärmeeintrag
führt. Bevorzugt wird ferner durch Stellung der Abgasstromklappe oder Wärmetauscher
weiter auf den Wärmeaustrag aus der Schmelzflusselektrolysezelle Einfluss genommen,
weil die Variation des Wärmeeintrags effektiver möglich ist als diejenige des Wärmeaustrags.
[0029] Mit Vorteil werden auch ein Eintrag von zu schmelzendem Material, insbesondere Aluminiumoxid
und Kryolith, und/oder ein Austrag von geschmolzenem Material, insbesondere Aluminium,
und/oder eine Änderung einer Schmelzflusselektrolysestromstärke als Störgröße berücksichtigt.
Der Eintrag von zu schmelzendem Material verändert nicht nur die Temperatur des Elektrolytbades,
sondern auch dessen chemische Zusammensetzung, was Einfluss auf die Wärmebilanz des
Betriebs der Schmelzflusselektrolysezelle hat. Ähnliches gilt auch für den Austrag,
das heißt die Entnahme von geschmolzenem Material, das vor allem Wärmeenergie aus
dem System entnimmt und zum Teil auch dessen chemische Zusammensetzung verändert.
Die Schmelzflusselektrolysestromstärke ändert den Energieeintrag und damit die zugeführte
Wärmemenge. Die Stromstärke kann insbesondere aufgrund variabler im Stromnetz vorhandener
Energie und damit vorbei an der Regelung der Schmelzflusselektrolyse selbst, in gewissen
Grenzen unkontrolliert, variieren. Durch die Berücksichtigung der Wärmebilanz können
derartige Änderungen der Schmelzflusselektrolysestromstärke im Hinblick auf den von
ihnen erzielten Effekt berücksichtigt werden, sodass sichergestellt sein kann, dass
alle Konsequenzen der variierenden Stromstärken im Hinblick auf die Prozesssicherheit
berücksichtigt werden können.
[0030] In einer bevorzugten Ausführungsform des Regelungsverfahrens ist eine zweite Regelgröße
oder eine zweite Steuergröße ein thermischer Zustand der Zelle und ist eine dritte
Regelgröße oder eine dritte Steuergröße ein chemischer Zustand der Zelle. Unter dem
thermischen Zustand der Zelle ist im vorliegenden Zusammenhang insbesondere die Temperatur
des Elektrolyten als maßgebliche Größe zu verstehen. Natürlich tragen auch andere
Elemente der Zelle zu deren thermischem Zustand bei. Der kritischste Teil der Zelle
ist jedoch der Elektrolyt, weil dessen Temperatur auf jeden Fall oberhalb seiner Erstarrungstemperatur
gehalten werden muss, um die Schmelzflusselektrolyseanlage funktionsfähig zu halten.
Der chemische Zustand der Zelle ist deswegen auch maßgeblich durch die Erstarrungstemperatur
des Elektrolyten bestimmt, die insbesondere vom "AlF
3-Überschuss" abhängt.
[0031] Eine erfindungsgemäße Schmelzflusselektrolyseanlage, insbesondere zur Herstellung
von Aluminium, mit einer Schmelzflusselektrolysezelle ist dadurch gekennzeichnet,
dass die Schmelzflusselektrolyseanlage eine Regelungsvorrichtung aufweist, die zur
Ausführung eines der oben beschriebenen Regelungsverfahren ausgebildet ist.
[0032] Bevorzugt umfasst die Schmelzflusselektrolyseanlage ein Thermoelement und/oder eine
Messvorrichtung zur Bestimmung eines Volumenstroms einer Abluft von der Schmelzflusselektrolysezelle
und/oder, sofern bevorzugt ein Wärmetauscher zur Beeinflussung eines Wärmeeintrags
oder Wärmeaustrags mittels eines Wärmetransportfluids an zumindest einer Außenfläche
der Schmelzflusselektrolysezelle umfasst ist, eine Messvorrichtung zur Bestimmung
eines Volumenstroms des Wärmetransportfluids in dem Wärmetauscher an der Schmelzflusselektrolysezelle.
Wie oben beschrieben wurde, eignen sich diese Elemente besonders gut dazu, als Messglied
bei der erfindungsgemäßen Regelung genutzt zu werden, weil sie aussagekräftige Informationen
zur Bestimmung der Wärmebilanz der Schmelzflusselektrolysezelle bereitstellen und
die Regelung daher besonders leicht umsetzten lassen.
[0033] Die Schmelzflusselektrolysezelle einer bevorzugten Schmelzflusselektrolyseanlage
weist Seitenwände, einen Boden und eine Abluftführung auf, wobei an oder in zumindest
einer der Seitenwände, dem Boden oder der Abluftführung, bevorzugt an oder in allen
Seitenwänden und dem Boden und besonders bevorzugt auch an oder in der Abluftführung
Thermoelemente angeordnet sind. Dies ermöglicht es besonders gut, die Wärmebilanz
der Schmelzflusselektrolysezelle zu bestimmen und eignet sich daher besonders gut
zum Einsatz im erfindungsgemäßen Zusammenhang.
[0034] Mit Vorteil umfasst die Schmelzflusselektrolyseanlage einen Wärmetauscher zur Beeinflussung
eines Wärmeeintrags oder Wärmeaustrags mittels eines Wärmetransportfluids an zumindest
einer Außenfläche der Schmelzflusselektrolysezelle und/oder eine einstellbare Abgasstromklappe
zur Beeinflussung eines Volumenstroms eines Abgases von der Schmelzflusselektrolysezelle
und/oder eine Vorrichtung zur Veränderung einer chemischen Zusammensetzung der Schmelze,
insbesondere zur Veränderung einer Dosierung von AlF
3 in der Schmelze, und/oder eine Traverse zur Positionierung einer Anode in der Schmelzflusselektrolysezelle.
Durch die genannten Elemente, die sich als Stellglieder im regelungstechnischen Sinne
einsetzen lassen, können Wärmeverlust und Wärmeeintrag in weiten Grenzen auf effiziente
Art und Weise eingestellt und variiert werden, um die Wärmebilanz bestmöglich und
effizient an ihren Sollwert anzupassen. Grundsätzlich gibt es auch andere Möglichkeiten,
auf die Wärmebilanz Einfluss zu nehmen, die jedoch weniger effektiv und daher ineffizient
funktionieren.
[0035] Ferner umfasst eine bevorzugte Schmelzflusselektrolyseanlage eine Vorrichtung zur
Bestimmung einer Masse von in die Schmelzflusselektrolysezelle eingebrachtem, zu schmelzendem
Material, insbesondere Aluminiumoxid und Kryolith, und/oder eine Vorrichtung zur Bestimmung
einer Masse von aus der Schmelzflusselektrolysezelle entnommenem, geschmolzenem Material,
insbesondere Aluminium. Das in die Zelle eingebrachte und aus der Zelle entnommene
Material verändert nicht nur die Wärmebilanz, indem Wärme aus dem System Schmelzflusselektrolysezelle
entnommen oder in es hineingebracht wird, sondern ändert zum Teil auch die chemische
Zusammensetzung des Inhaltes der Schmelzflusselektrolysezelle, was insbesondere Einfluss
auf die Erstarrungstemperatur des Elektrolyten hat und bei der Regelung der Wärmebilanz
daher berücksichtigt werden sollte. Hierzu ist anzumerken, dass auch die Änderung
der Temperatur des in der Zelle befindlichen Materials wegen der hierdurch hervorgerufenen
Änderung der Dicke der Randkruste auf die chemische Zusammensetzung der Schmelze Einfluss
nimmt. Eine Erhöhung der Temperatur führt zu einem weiteren Abschmelzen der Kruste
und damit einer Verringerung des Anteils an AlF
3 in der Schmelze. Da dieser zuletzt genannte Prozess eine gewisse Trägheit und Pendelbewegung
aufweist, war die Bestimmung der chemischen Zusammensetzung kurz nach einer Variierung
der der Zelle zugeführten Stromstärke fehlerbehaftet. Durch die erfindungsgemäße Regelung
können diese Fehler ausgeglichen und Fehlinterpretationen vermieden werden.
[0036] Erfindungsgemäß wird das oben beschriebene Regelungsverfahren oder eine oben beschriebene
Schmelzflusselektrolyseanlage, sofern die Schmelzflusselektrolyseanlage an ein Stromnetz
angeschlossen ist, um mit elektrischer Energie für die Schmelzflusselektrolyse versorgt
zu werden, mit anderen Worten wobei ein für den Betrieb der Zelle genutzter Strom
aus dem Stromnetz zugeführt wird, zum Ausgleichen von Schwankungen einer Einspeisung
von Energie in das Stromnetz verwendet. Solche Schwankungen führen zu einem Ungleichgewicht
zwischen Einspeisung und Verbrauch, was binnen kürzester Zeit Frequenzabweichungen
und/oder Spannungsabweichungen im Netz zur Folge hat, die den stabilen Betrieb des
Netzes gefährden und daher zur Vermeidung von Netzzusammenbrüchen ("Blackout") unverzüglich
korrigiert werden müssen. Dadurch, dass die erfindungsgemäße Schmelzflusselektrolyseanlage
beziehungsweise das Regelungsverfahren zum Betrieb der Schmelzflusselektrolyseanlage
so ausgebildet sind, dass ein Betrieb der Schmelzflusselektrolyseanlage innerhalb
der Systemgrenzen mit unterschiedlichen Abnahmeleistungen möglich ist, kann das Schmelzflusselektrolyseverfahren
sehr gut als Puffer zum Ausgleich dieser Leistungsbilanz-Ungleichgewichte und damit
zur Netzstabilisierung verwendet werden.
[0037] Dies ist von besonderem Vorteil, wenn die eingespeiste Energie von einer volatilen
Stromquelle, insbesondere einer Windkraftanlage oder einer Solaranlage stammt. Denn
durch die erfindungsgemäße Verwendung kann die Netzstabilität auch bei einem relative
großen Anteil volatiler Stromquellen an der Einspeisung von Energie in das Stromnetz
in vertretbaren Grenzen sichergestellt werden, ohne noch höhere Kosten für die Netzstabilität
zu erzeugen. Dies ermöglicht es praktisch erst, einen großen Anteil von volatilen
Stromquellen und damit das volle Potenzial regenerativer Energiequellen in Industrieländern
zu nutzen.
[0038] Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung
und der Gesamtheit der Patentansprüche.
KURZE FIGURENBESCHREIBUNG
[0039]
Figur 1 zeigt ein Diagramm einer bevorzugten Prozessführung mittels geschlossener
Echtzeitwärmebilanzregelung.
Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung einer bevorzugten Schmelzflusselektrolysezelle.
WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
[0040] Figur 1 zeigt ein Diagramm einer bevorzugten Prozessführung mittels geschlossener
Echtzeitwärmebilanzregelung. Als Führungsgröße w(t) wird die Wärmebilanz angesetzt.
Eine Regelabweichung e(t) der Wärmebilanz, das heißt eine Abweichung der Wärmebilanz
vom Sollwert, wird durch einen Regler auf Grundlage einer Wärmebilanzrückführung y
m(t) ausgeglichen. Der Regler ermittelt durch den Vergleich zwischen Führungsgröße
w(t) und Rückführung y
m(t) eine Abweichung der ermittelten Wärmebilanz y(t) von der Führungsgröße w(t) und
ermittelt entsprechende Gegenmaßnahmen, um die Regelgröße an die Führungsgröße anzupassen.
[0041] Als allgemeine Stellgröße u(t) werden der Wärmeverlust beziehungsweise Wärmeeintrag
angesehen. Um die allgemeine Stellgröße u(t) einzustellen, kann der Regler beispielsweise
Einfluss auf einen Wärmetauscher, auf Abgasstromklappen, die Badchemie und die Spannung
im Innern der Schmelzflusselektrolysezelle nehmen. Die konkrete Stellgröße u
S(t), die vom Regler beeinflusst werden kann, kann beispielsweise die Klappenposition
von in einer Abgasführung vorhandenen Abgasstromklappen, eine Dosierung von AlF
3 im Elektrolytbad, einen Strömungsgeschwindigkeit von Wärmetransportfluid im Wärmetauscher
oder eine Traversenposition, d.h. eine relative Position einer oder mehrerer Anoden
in der Schmelzflusselektrolysezelle, sein, über welche der Abstand zwischen der Anode/den
Anoden an der Traverse und dem als Katode fungierenden Aluminiumsee in einer Aluminiumelektrolysezelle
oder allgemein einer Kathode eingestellt werden kann. Bei der Regelstrecke handelt
es sich also um die Schmelzflusselektrolysezelle mit ihren Bestandteilen wie gegebenenfalls
dem Wärmetauscher, der Abgasstromführung, der Traverse, Gebläse, Klappen etc.
[0042] Hierdurch können also auch als Störgröße d(t) anzusehende äußere Einwirkungen, insbesondere
eine Stromstärkeänderung aufgrund von Netzschwankungen, operationelle Eingriffe an
der Schmelzflusselektrolysezelle oder eine variierende Produktionseffizienz bei der
Herstellung von Aluminium, berücksichtigt werden. Da diese Störgrößen Einfluss auf
die Wärmebilanz der Schmelzflusselektrolysezelle haben, können sie auf die erfindungsgemäße
Weise weggeregelt werden.
[0043] Die Wärmebilanz kann beispielsweise durch Thermoelemente zur Messung der Temperaturen
an den Seitenwänden, dem Boden und der Abluftführung sowie durch Elemente zur Bestimmung
eines Volumenstroms sowohl der Abluft als auch eines möglicherweise durch einen Wärmetauscher
fließenden Wärmetransportfluids im Zusammenhang mit einer Auswertungseinheit bestimmt
werden. Die durch diese Messglieder gemessenen und ausgewerteten Daten werden dem
Regler zugeführt, um die entsprechenden Stellglieder passend einzustellen.
[0044] Zusammengefasst lässt sich feststellen, dass die Wärme in der Schmelzflusselektrolysezelle
hauptsächlich im Bereich des Anoden-Katodenabstandes erzeugt wird. Eine Verringerung
des Abstands bei Stromstärkeerhöhung und eine Vergrößerung des Abstands bei Stromstärkeverringerung
stellt eine erste Maßnahme zur Regelung der Wärmebilanz dar. Hierdurch wird der Ohm
'sche Widerstand der Schmelzflusselektrolysezelle variiert, was in gewissen Grenzen,
die insbesondere durch einen Mindestabstand zwischen Anode und Aluminiumsee sowie
ein energieeffizientes Verfahren bestimmt sind, möglich ist. Zusätzlich ist es möglich,
über optionale Wärmetauscher beispielsweise an den Seitenwänden der Schmelzflusselektrolysezelle
Wärme von der Schmelzflusselektrolysezelle abzuführen und ihr zuzuführen, falls die
vom Stromnetz zur Verfügung gestellte Energie ein Aufrechterhalten des Schmelzflusselektrolyseprozesses
ansonsten nicht ermöglichen sollte. Weiter kann ein Abgasstrom variiert und auf diese
Weise ebenfalls die Wärmebilanz der Schmelzflusselektrolysezelle beeinflusst werden.
Ein Erhöhen des Abgasstromes vergrößert einen Wärmeaustrag während eine Reduzierung
des Abgasstromes wie eine Isolierung wirkt.
[0045] Auf diese Weise ist es möglich, eine Schmelzflusselektrolyseanlage, insbesondere
eine Aluminiumelektrolyseanlage, ohne die Anforderung einer konstanten, aus dem Stromnetz
zur Verfügung gestellten Stromstärke wirtschaftlich lohnend zu betreiben.
[0046] Figur 2 zeigt in einer schematischen Ansicht eine Schmelzflusselektrolyseanlage mit
einer Schmelzflusselektrolysezelle 30. Die Schmelzflusselektrolysezelle 30 wird seitlich
durch Zellenwände 32 begrenzt und weist darüber hinaus einen Zellenboden 34 auf, der
gleichzeitig als Kathode für das Schmelzflusselektrolyseverfahren im Innern der Zelle
30 fungiert. Im Innern der Zelle 30 befindet sich eine von oben in die Zelle 30 hineinragende
Anode 36 und die Schmelze 38, 35.1, die u. a. Kryolith und geschmolzenes Aluminium
aufweist. Unmittelbar an den Zellenwänden 32 der Schmelzflusselektrolysezelle 30 ist
in der in Figur 2 gezeigten Ausführungsform ein Wärmetauscher 39 angeordnet, durch
den ein Fluid, wie z. B. Luft, CO
2, Stickstoff oder eine Flüssigkeit geleitet wird. Der Wärmetauscher 39 ist dabei besonders
bevorzugt über ein Leitungssystem 31 mit einem Wärmespeicher 33 verbunden, der beispielsweise
durch einen konventionellen oder auch einen Latenzwärmespeicher gebildet sein kann.
[0047] Im Fall einer hohen Leistungsaufnahme der Schmelzflusselektrolysezelle 30 wird im
Innern der Zelle durch die Elektrolyse eine große Menge Wärmeenergie freigesetzt,
die von der Zelle über ihre Seitenwände 32 und den Zellenboden 34 sowie über Abgase
nach oben abgegeben wird. Die gewünschte abgegebene Wärme wird dabei so bemessen,
dass an der Innenseite der Zellenwände 32 Krusten (Borde) 35.2 der erstarrten Schmelze
35.1 als Schutzschicht gebildet werden. Die Krusten 35.2 variieren lediglich in ihrer
Dicke in Abhängigkeit von der Wärmebilanz der Schmelzflusselektrolysezelle.
[0048] Sofern es nötig werden sollte, dass aufgrund einer zu geringen elektrischen Leistungsaufnahme
durch die Schmelzflusselektrolysezelle Wärme von außen zugeführt oder mit anderen
Worten die Menge aus der Zelle abgeführter Wärme reduziert werden muss, um die Krusten
35.2 nicht zu groß werden zu lassen, kann Wärme aus dem Wärmespeicher 33 durch das
Leitungssystem 31 zum Wärmetauscher 39 geleitet werden. Dadurch kann das Innere der
Schmelzflusselektrolysezelle über die Zellenwände 32 effektiv beheizt werden, indem
weniger Wärme nach außen abgestrahlt wird, weil der Temperaturunterschied zwischen
dem Innern der Zelle und der Außenseite der Zellenwände 32 verringert wird, und dadurch
das Erstarren der Schmelze gehemmt wird. Derselbe Effekt wird über eine Variation
der nach oben abgesaugten oder zurückgehaltenen Abgase erzielt.
[0049] Eine Regelungseinrichtung 37 ist dazu ausgestaltet, die Zelle der Schmelzflusselektrolyseanlage
derart zu betreiben, dass ihre Wärmebilanz geregelt wird, wie oben beschrieben wurde.
Hierfür umfasst die Schmelzflusselektrolysezelle eine Vielzahl von (nicht gezeigten)
Thermoelementen in ihren Seitenwänden, dem Boden und auch im Bereich ihrer sich oben
an die Schmelzflusselektrolysezelle anschließenden Abluftführung. Die von diese Thermoelementen
erfassten Messergebnisse werden der Regelungseinrichtung 37 zugeführt und dort zur
Regelung des Betriebs der Schmelzflusselektrolysezelle ausgewertet.
[0050] Durch den Betrieb einer solchen Schmelzflusselektrolyseanlage kann neben der Erzeugung
von beispielsweise Aluminium auch noch das Stromnetz trotz Einspeisung volatiler Energiequellen
stabil gehalten werden, ohne auf spezielle (derzeit nicht in ausreichendem Umfang
verfügbarer) Speicher und dergleichen zurückgreifen zu müssen.
1. Regelungsverfahren zum Betreiben einer Zelle einer Schmelzflusselektrolyseanlage,
insbesondere zur Herstellung von Aluminium,
wobei eine erste Regelgröße eine Wärmebilanz der Zelle ist.
2. Regelungsverfahren nach Anspruch 1, wobei ein Thermoelement und/oder eine Vorrichtung
zur Bestimmung eines Volumenstroms einer Abluft von der Zelle und/oder eine Vorrichtung
zur Bestimmung eines Volumenstroms eines Wärmetransportfluids in einem Wärmetauscher
an der Zelle als ein Messglied zur Bestimmung der ersten Regelgröße verwendet wird
oder werden.
3. Regelungsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Zelle Seitenwände, einen Boden
und eine Abluftführung aufweist,
wobei an oder in zumindest einer der Seitenwände, dem Boden oder der Abluftführung,
bevorzugt an oder in allen Seitenwänden und dem Boden und besonders bevorzugt auch
an oder in der Abluftführung angeordnete Thermoelemente als Messglieder zur Bestimmung
der ersten Regelgröße verwendet werden.
4. Regelungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens ein Wärmetauscher
und/oder mindestens eine Abgasstromklappe und/oder eine chemische Zusammensetzung
der Schmelze, insbesondere eine AlF3-Dosierung, und/oder mindestens eine Traverse
zur Positionierung mindestens einer Anode in der Zelle als Stellglied zur Einwirkung
auf einen Wärmeeintrag und/oder einen Wärmeaustrag verwendet werden.
5. Regelungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Eintrag von
zu schmelzendem Material, insbesondere Aluminiumoxid und Kryolith, und/oder ein Austrag
von geschmolzenem Material, insbesondere Aluminium, und/oder eine Änderung einer Elektrolyse-Stromstärke
als Störgröße berücksichtigt wird oder werden.
6. Regelungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine zweite Steuergröße
oder eine zweite Regelgröße ein thermischer Zustand der Zelle ist,
wobei eine dritte Steuergröße oder eine dritte Regelgröße ein chemischer Zustand der
Zelle ist.
7. Regelungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein für einen Betrieb
der Zelle genutzter Strom aus einem Stromnetz zugeführt wird.
8. Schmelzflusselektrolyseanlage, insbesondere zur Herstellung von Aluminium, mit einer
Schmelzflusselektrolysezelle,
dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelzflusselektrolyseanlage eine Regelungsvorrichtung aufweist, die zur Ausführung
eines Regelungsverfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.
9. Schmelzflusselektrolyseanlage nach Anspruch 8,
insbesondere umfassend einen Wärmetauscher zur Beeinflussung eines Wärmeeintrags oder
Wärmeaustrags mittels eines Wärmetransportfluids an zumindest einer Außenfläche der
Schmelzflusselektrolysezelle,
wobei die Schmelzflusselektrolysezelle ein Thermoelement und/oder eine Messvorrichtung
zur Bestimmung eines Volumenstroms einer Abluft von der Schmelzflusselektrolysezelle
und/oder eine Messvorrichtung zur Bestimmung eines Volumenstroms des Wärmetransportfluids
in dem Wärmetauscher an der Schmelzflusselektrolysezelle aufweist.
10. Schmelzflusselektrolyseanlage nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Schmelzflusselektrolysezelle
Seitenwände, einen Boden und eine Abluftführung aufweist,
wobei an oder in zumindest einer der Seitenwände, dem Boden oder der Abluftführung,
bevorzugt an oder in allen Seitenwänden und dem Boden und besonders bevorzugt auch
an oder in der Abluftführung Thermoelemente angeordnet sind.
11. Schmelzflusselektrolyseanlage nach einem der Ansprüche 8 bis 10, umfassend
einen Wärmetauscher zur Beeinflussung eines Wärmeeintrags oder Wärmeaustrags mittels
eines Wärmetransportfluids an zumindest einer Außenfläche der Schmelzflusselektrolysezelle
und/oder
eine einstellbare Abgasstromklappe zur Beeinflussung eines Volumenstroms eines Abgases
von der Schmelzflusselektrolysezelle und/oder
eine Vorrichtung zur Veränderung einer chemischen Zusammensetzung der Schmelze, insbesondere
zur Veränderung einer Dosierung von AlF3 in der Schmelze, und/oder
eine Traverse zur Positionierung einer Anode in der Schmelzflusselektrolysezelle.
12. Schmelzflusselektrolyseanlage nach einem der Ansprüche 8 bis 11, umfassend eine Vorrichtung
zur Bestimmung einer Masse von in die Schmelzflusselektrolysezelle eingebrachtem,
zu schmelzendem Material, insbesondere Aluminiumoxid und Kryolith, und/oder eine Vorrichtung
zur Bestimmung einer Masse von aus der Schmelzflusselektrolysezelle entnommenem, geschmolzenem
Material, insbesondere Aluminium.
13. Schmelzflusselektrolyseanlage nach einem der Ansprüche 8 bis 12, wobei die Schmelzflusselektrolyseanlage
an ein Stromnetz angeschlossen ist, um mit elektrischer Energie für die Schmelzflusselektrolyse
versorgt zu werden.
14. Verwendung eines Regelungsverfahrens nach Anspruch 7 oder einer Schmelzflusselektrolyseanlage
nach Anspruch 13 zum Ausgleichen von Schwankungen einer Einspeisung von Energie in
das Stromnetz.
15. Verwendung nach Anspruch 14, wobei die eingespeiste Energie von einer volatilen Stromquelle,
insbesondere einer Windkraftanlage und/oder einer Solaranlage, stammt.