From Steel to Strategy: Enabling Industrial Demand-Side Flexibility Through Forecasting and Optimization

Die Dekarbonisierung der Energiesysteme und die zunehmende Integration erneuerbarer Energie verändern die Rolle energieintensiver Industriesektoren. Große industrielle Lasten, insbesondere in der Eisen- und Stahlproduktion, stellen sowohl eine Herausforderung für die Systemsicherheit als auch eine bedeutende, bislang unzureichend genutzte Quelle für Demand-Side-Flexibilität dar. Diese Dissertation untersucht, wie Demand-Side-Flexibilität in Elektrostahlwerken systematisch erschlossen werden kann. Die Arbeit basiert auf vier methodischen Säulen: Erstens werden hochauflösende Prognosemodelle für den industriellen Energiebedarf eines Elektrostahlwerks für stochastische, batch-basierte Prozesse und unvollständiger Prozessinformation entwickelt. Die Ergebnisse zeigen, dass sehr kurzfristige bis Day-Ahead-Prognosen mit ausreichender Genauigkeit für operative Entscheidungen möglich sind, während längerfristige Vorhersagen durch strukturelle Unsicherheiten begrenzt bleiben. Zweitens werden auf Aggregatsebene praktisch realisierbare Flexibilitätspotenziale identifiziert, darunter Energieträgerflexibilität im Elektrolichtbogenofen sowie optimierte Produktionsplanung im Walzwerk. Diese Flexibilitätsoptionen umfassen kurzfristige operative Anpassungen ebenso wie mittelfristige Kampagnenplanung und verdeutlichen eine strukturelle Diskrepanz zwischen industriellen Planungshorizonten und bestehenden Strommarktstrukturen. Drittens werden deterministische Optimierungsmodelle auf Basis ganzzahliger linearer Programmierung für die identifizierten Flexibilitätspotenziale formuliert. Das Modell für den Elektrolichtbogenofen kombiniert Unit Commitment und ökonomisch-ökologische Optimierung über einen 36-Stunden-Horizont, wobei Startzeitpunkte der einzelnen Chargen und das Verhältnis zwischen Strom- und Gaseinsatz optimiert werden. Das Walzwerksmodell adressiert die optimale Wochen- bis Mehrwochenplanung unter volatilen Strompreisen. Beide Modelle zeichnen sich durch rechnerische Effizienz und Transparenz aus und sind damit für industrielle Anwendungen geeignet. Viertens werden die ökonomischen und ökologischen Auswirkungen der Flexibilitätsnutzung unter variierenden Markt- und Prozessbedingungen bewertet. Die Ergebnisse zeigen Energiekostenreduktionen von rund 3 % für den Elektrolichtbogenofen und bis zu 7 % für das Walzwerk. Die ökologischen Effekte sind stark kontextabhängig: Unter aktuellen Marktbedingungen kann eine kostenoptimale Fahrweise zu höheren Emissionen führen, während bei einem hohen Anteil erneuerbarer Stromerzeugung Emissionsreduktionen von bis zu 36 % möglich sind. Sensitivitätsanalysen identifizieren die Volatilität des Strompreises als maßgeblichen Treiber des Flexibilitätspotentials, während Gas- und CO2-Preise eine untergeordnete Rolle spielen. Insgesamt zeigt diese Arbeit, dass industrielle Demand-Side-Flexibilität in der Elektrostahlproduktion technisch umsetzbar und wirtschaftlich attraktiv ist, jedoch durch prozessuale Abhängigkeiten und bestehende Marktdesigns begrenzt wird. Durch die Verknüpfung von Prognose, Flexibilitätsbewertung und Betriebsoptimierung in einem konsistenten, methodischen Rahmen trägt die Dissertation zu einem tieferen Verständnis bei, wie nutzbare industrielle Flexibilität aus dem Zusammenspiel technischer Systeme und Strommärkte entsteht.