Beschreibung

Hochtemperaturindustrien wie Stahl, Zement und Glas sind grundlegende Pfeiler der europäischen Wirtschaft und verlassen sich für einen sicheren, energieeffizienten und nachhaltigen Betrieb auf feuerfeste Werkstoffe. Diese Materialien – keramische Spezialprodukte, die im Einsatz bei Temperaturen von typischerweise über 1.000 °C standhalten – machen zwar weniger als 3 % der Produktionskosten aus, beeinflussen aber bis zu 20 % der Betriebseffizienz über Energieverluste, Wartung und Stillstandzeiten. Vor dem Hintergrund des europäischen Green Deals und der digitalen Transformation stehen die Hersteller und Anwender feuerfester Werkstoffe vor drängenden Herausforderungen: Dekarbonisierung, Kreislaufwirtschaft und Digitalisierung. Aktuelle Praxis ist durch empirisches Design, fragmentierte Datenlage und geringe Recyclingquoten limitiert, während neue Regulierungen wie das Ecodesign for Sustainable Products Regulation (ESPR) Rückverfolgbarkeit und reduzierte CO₂-Fußabdrücke einfordern.

REFFRACTEUR (Digital REFractory FRAmework for a Carbon-neutral and Resilient indusTry in EURope) ist ein im Rahmen von Horizon Europe gefördertes MSCA Doctoral Network – Industrial Doctorate (DN-ID) mit der Fördernummer 101312113. Das Projekt vereint ein einzigartiges Konsortium aus 26 Partnern – 10 akademischen Einrichtungen, 11 Industrieunternehmen und 5 Non-Profit-Organisationen – und deckt die gesamte Wertschöpfungskette feuerfester Werkstoffe ab. Koordiniert wird das Netzwerk vom Institut de Recherche sur les Céramiques (IRCER, CNRS) in Limoges. REFFRACTEUR bildet 15 Doktoratskandidatinnen und -kandidaten im Industrial-Doctorate-Format aus: Jede/r DC verbringt mindestens 50 % der Projektzeit in der Industrie und wird gemeinsam von einem akademischen und einem industriellen Partner betreut. Das Programm baut inhaltlich und strukturell auf den Vorgängernetzwerken ATHOR und CESAREF auf.

Projektthemenübersicht

© REFFRACTEUR

Die Forschung ist in drei wissenschaftliche Arbeitspakete gegliedert: WP1 befasst sich mit angewandter Digitalisierung und Kreislaufwirtschaft (Digitale Produktpässe, Lebenszyklusanalyse, KI-gestützte Sortierung); WP2 mit innovativem Mikrogefügedesign für nachhaltige feuerfeste Materialien; und WP3 mit der Betriebsoptimierung durch digitale Zwillinge und Entscheidungsunterstützungssysteme. Gemeinsam bilden diese Arbeitspakete eine kontinuierliche Innovationsschleife: Betriebsdaten aus der Industrie informieren das Materialdesign, und digitale Werkzeuge integrieren Leistungs-, Nachhaltigkeits- und Betriebsdaten, um zukünftige Verbesserungen zu steuern.

Das Institut für Energietechnik und Thermodynamik (IET) der TU Wien ist verantwortlich für die akademische Betreuung von DC15 in Zusammenarbeit mit dem industriellen Partner FESIOS, führt federführend Task 3.3 (Optimization Algorithms and Decision Support) in WP3 durch und ist an Task 3.4 (Pilot Implementation and Industrial Integration, führend: Tata Steel) beteiligt.

DC15 widmet sich der Entwicklung eines Entscheidungsunterstützungssystems (Decision Support System, DSS) zur Optimierung des Pfannenmanagements unter dynamischen und nachhaltigen Bedingungen in der Stahlproduktion (BOF/EAF). Ein zentraler inhaltlicher Schwerpunkt liegt auf der Untersuchung des Wechsels der konventionellen Erdgasbrenner zur Pfannenvorwärmung und -trocknung auf erneuerbare Alternativen – etwa elektrische Heizsysteme oder Wasserstoffbrenner. Das DSS bewertet diese Umstellungsszenarien quantitativ hinsichtlich Energieverbrauch, CO₂-Emissionen, Verfügbarkeit und Betriebskosten und liefert damit eine fundierte Entscheidungsgrundlage für die industrielle Dekarbonisierung des Schmelzbetriebs. Methodisch kombiniert das System prädiktive Analytik (Zustandsüberwachung, Restlebensdauerprognose, Temperaturverlust) mit präskriptiver Optimierung (Disposition, Wartungsplanung), wobei exakte und metaheuristische Verfahren sowie Reinforcement-Learning-Ansätze mit einer diskret-ereignisbasierten Simulation eines virtuellen Schmelzwerks gekoppelt werden. Das DSS verarbeitet Ausgaben der digitalen Zwillinge aus WP3 und schließt den Regelkreis zu Digitalen Produktpässen und Lebenszyklusanalyse in WP1. Industrielle Secondments sind bei Tata Steel (Niederlande) vorgesehen.