Flexibilisierung in der Elektrostahlproduktion: Demand Side Management durch ökonomisch-ökologische Betriebsoptimierung eines Elektrolichtbogenofens

Im Zuge der Energiewende steht die energieintensive Eisen- und Stahlindustrie vor der Herausforderung, ihre Produktionsprozesse flexibel, kosteneffizient und klimaschonend zu gestalten. Der Betrieb von Elektrolichtbogenöfen verfügt dabei theoretisch über ein hohes Flexibilitätspotenzial zur energiemarktorientierten Betriebsführung. Die vorliegende Masterarbeit untersucht, wie durch den gezielten Einsatz von Demand Side Management-Maßnahmen der Betrieb eines Elektrolichtbogenofens dynamisch an Schwankungen der Strom- und Gaspreise angepasst werden kann. Im Gegensatz zu klassischen Unit Commitment-Ansätzen, die lediglich auf Abschaltungen bei hohen Preisen setzen, erweitert diese Arbeit die Variation der eingesetzten Energieträger, Strom und Erdgas, im Sinne eines Environmental und Economic Dispatch-Modells. Dadurch lässt sich einerseits das Potenzial zur Kosteneinsparung und Emissionsreduktion ermitteln und andererseits beurteilen, wie die Gewichtung zwischen ökonomischen und ökologischen Zielen die Betriebsweise des Elektrolichtbogenofens beeinflusst. Zur Bearbeitung dieser Aufgabenstellung wurden in der Programmiersprache Python zwei Optimierungsmodelle entwickelt: ein ganzzahliges und ein gemischt-ganzzahliges lineares Optimierungsmodell. Beide greifen auf reale Chargen- und Leistungsdaten des Elektrolichtbogenofens der Stahl- und Walzwerk Marienhütte GmbH, Day-Ahead-Strom- und Erdgaspreise sowie Kosten für CO2-Zertifikate zurück und bilden in 36-Stunden-Horizonten die Betriebsführung des Ofens ab. Durch flexible Variation des Strom- und Erdgas-Verhältnisses minimieren sie simultan Energiekosten und CO2-Emissionen. Ein Vergleich der beiden Modellvarianten ergab, dass das ganzzahlige lineare Optimierungsmodell aufgrund kürzerer Rechenzeiten und mindestens gleichwertiger Ergebnisqualität vorzuziehen ist. Alle weiterführenden Analysen basieren auf diesem Modell. Die Auswertung verschiedener Markt- und Betriebsszenarien ergibt, dass bei voller Ofenauslastung die Energiekosten um bis zu 6,4 % und die CO2-Emissionen um bis zu 0,9 % reduziert werden können. Bei einer Ofenauslastung von 85 % steigt das Kosteneinsparpotenzial infolge größerer zeitlicher Flexibilität auf 11,5 %. Geringere Auslastungen eröffnen somit erheblich größere Möglichkeiten für Flexibilität, um teure Lastspitzen zu vermeiden und günstigere oder emissionsärmere Zeitfenster gezielt zu nutzen. Darüber hinaus zeigt die Untersuchung einen klaren Trade-off zwischen ökonomischen und ökologischen Zielen. Spürbare Emissionsminderungen lassen sich nur zulasten steigender Energiekosten erreichen, während eine reine Kostenoptimierung zu Emissionsanstiegen führen kann. Die durchgeführte Sensitivitätsanalyse ergibt, dass der Strompreis die Gesamtkosten am stärksten beeinflusst, während Erdgas- und CO2-Preise in der aktuellen Markt- und Regulierungssituation eine untergeordnete Rolle spielen. Die gegenwärtige CO2-Bepreisung schafft zu wenig Anreize zur Elektrifizierung und erst eine Verfünffachung des Zertifikatpreises würde den wirtschaftlichen Druck erzeugen, systematisch von Erdgas auf Strom umzuschwenken. Da der österreichische Strommix während des Untersuchungszeitraums nur geringfügig emissionsärmer als Erdgas war, bleiben mögliche Emissionsvorteile derzeit auf etwa 2,3 % begrenzt. Unter aktuellen Marktbedingungen ist somit eine Kostenreduktion leichter erreichbar als eine substanzielle Emissionsreduktion. Unterstellt man hingegen einen erneuerbaren Strommix, könnte das Optimierungsmodell die CO2-Emissionen des Elektrolichtbogenofens um rund 89 % senken.
In einem zukünftig vollständig dekarbonisierten Energiesystem könnten die systemischen Vorteile der Elektrolichtbogenöfen hinsichtlich Lastflexibilität deutlicher hervortreten. Die Ergebnisse unterstreichen die Rolle der Stahlindustrie als potenziell bedeutender Akteur im Bereich des industriellen Demand Side Management und zeigen, dass gezieltes Lastmanagement und Energieträger-Shifting entscheidend zur Flexibilität zukünftiger Energiesysteme beitragen können.