Wo große Hitze erzeugt werden soll, benötigt man viel Energie. So verbrauchen Durchlauföfen zur Wärmebehandlung von Stahl große Mengen an Öl oder Gas und emittieren etwa 130 kg CO2 je Tonne Stahl. Die Forschungsgruppe von Professor Andreas Kugi an der TU Wien arbeitet daher an verbesserten Regelungsmethoden für die Stahlindustrie, durch die man den Energiebedarf und den CO2-Ausstoß drastisch senken kann. Die Ergebnisse der Forschungsarbeiten haben sich bereits in der Praxis bewährt, nun wurde das Projekt auch mit einer Nominierung beim Staatspreis für Umwelt- und Energietechnologie in der Kategorie Forschung und Innovation ausgezeichnet.

So viel Hitze wie nötig, so wenig Energie wie möglich
Stahl zeichnet sich durch seine Recyclingfähigkeit und exzellente Materialeigenschaften als Basis für sehr vielfältige Produkte aus. Damit der Werkstoff diese Eigenschaften erhält, sind im Produktionsprozess meist mehrere energieintensive Wärmebehandlungsschritte nötig. Um eine Tonne Stahl auf Umformtemperatur zu bringen – diese liegt bei 1100 Grad Celsius, benötigt man soviel Energie wie bei einer Autofahrt von Wien nach Berlin. Am Institut für Automatisierungs- und Regelungstechnik (ACIN) der TU Wien werden regelungstechnische Verfahren entwickelt, mit denen sich bei der Erwärmung von Stahl Ressourcen und Kosten sparen lassen.

Mit möglichst geringem Energieaufwand soll der in Blöcken oder Bändern vorliegende Stahl die nötige Temperatur möglichst genau erreichen. Dazu werden in der Stahlindustrie meist kontinuierliche Wärmöfen mit einer stündlichen Durchsatzrate von mehr als 250 Tonnen Stahl verwendet. Die zu regelnde Produkttemperatur kann aufgrund der Umgebungsbedingungen oder der Produktbewegung oft nicht gemessen werden, was die Temperaturregelung deutlich erschwert. Andreas Kugi erklärt, dass dieses Problem gelöst werden kann, wenn modellbasierte Regelungsverfahren zur Anwendung kommen. Er und sein Team entwickeln dafür mathematische Modelle von kontinuierlichen Wärmöfen, mit denen die Stahltemperatur auf bis zu 5 Grad Celsius genau vorhergesagt werden kann. Anhand dieser Simulationsmodelle können mit nichtlinearen modellprädiktiven Regelungsverfahren die optimalen Betriebseinstellungen der Öfen im Echtzeitbetrieb gefunden werden.

Neues Regelungsverfahren bereits im Einsatz
Die neuen modellbasierten Regelungsverfahren haben sich bereits bewährt: Eine Pilotanwendung in einem Wärmofen, der stündlich 280 Tonnen Stahlblöcke erhitzt, hat gezeigt, dass mit der neuen Regelungsmethode bis zu 9,7% des Energiebedarfs eingespart werden können. Der jährliche CO2-Ausstoß dieser Anlage wurde damit um 9 500 Tonnen reduziert. An insgesamt drei industriellen Brammenstoßöfen der Aktiengesellschaft der Dillinger Hüttenwerke wurde das Regelungsverfahren bisher erfolgreich umgesetzt und derzeit erforscht das Team von Andreas Kugi Methoden zur Regelung und Optimierung von Banddurchlauföfen für Karosseriebleche. Hierbei kooperiert das Institut mit der voestalpine Stahl GmbH und der Andritz AG.

TU-Forschung für den Staatspreis nominiert
Am 22. Mai 2012 wurden die Staatspreise für Umwelt- und Energietechnologie von Umweltminister Nikolaus Berlakovich, Technologieministerin Doris Bures und Wirtschaftsminister Reinhold Mitterlehner verliehen. Aus mehr als 200 Einreichungen wählte eine Fachjury die besten Projekte in den Bereichen Umwelt & Klima, Forschung & Innovation sowie Energie & Effizienz aus. Die Forschung von Andreas Kugi und seinem Team wurde mit einer von drei Nominierungen für den Staatspreis in der Kategorie Forschung und Innovation ausgezeichnet. Das Projekt zeigt, wie eng akademische Forschung und industrielle Anwendung verbunden sein können. Gerade im Bereich „Energie und Umwelt“ – einem der fünf Forschungsschwerpunkte der TU Wien – ergeben sich dadurch neue Ideen, die nicht nur die Forschung vorantreiben und die Industrie unterstützen, sondern für einen verantwortungsvolleren Umgang mit unseren Ressourcen sorgen.

Nähere Informationen:
Prof. Andreas Kugi
Institut für Automatisierungs- und Regelungstechnik,
Technische Universität Wien
T: +43-1-58801-37614
<link>andreas.kugi@tuwien.ac.at