Decarbonization of Copper Production by Optimal Demand Response and Power-to-Hydrogen

Um Treibhausgasemssionen (THG) zu vermeiden und den Klimawandel einzugrenzen, müssen emissionsarme Technologien eingesetzt werden, die erneuerbare Energien bereitstellen und fossile Energieträger ersetzen. Dieser Systemwechsel ist jedoch sehr materialintensiv und führt zu einer hohen Nachfrage nach kritischen Rohstoffen. Kupfer ist ein solcher Rohstoff, der für viele emissionsarme Technologien unerlässlich ist. Die Herstellung von Kupfer ist ein energieintensiver Prozess. Hieraus ergeben sich zwei Herausforderungen: der flexible Betrieb in einem fluktuierenden erneuerbaren Energysystem und die Vermeidung von prozessbedingten THG-Emissionen. Der flexible Betrieb stromintensiver Prozesse kann das Stromnetz unterstützen und wirtschaftliche Vorteile bieten. Demand Response (DR) beschreibt Betriebsanpassungen, die durch einen wirtschaftlichen Anreiz motiviert sind, z.B. durch fluktuierende Strompreise. Unsere erste Analyse zeigt ein großes DR-Potenzial in zwei stromintensiven Prozessschritten der Kupferproduktion. Um das DR-Potenzial des gesamten Prozesses zu betrachten und die Abhängigkeiten der vielen Prozessschritte abzubilden, formulieren wir ein detailliertes Betriebsplanungsmodell einer repräsentativen Kupferproduktion. Das entwickelte gemischt-ganzzahlige lineare Programm (MILP) ermöglicht die Minimierung der Stromkosten ohne Reduzierung der Produktionsmenge. Die ganzheitliche Planung der Produktion ermöglicht ein erhebliches DR-Potenzial das die Stromkosten um bis zu 14.2% reduziert und große Teile des Strombedarfs verschiebt. Die Vermeidung von prozessbedingten THG-Emissionen ist eine Herausforderung, weil fossile Energieträger in einigen Prozesssen nur schwer zu ersetzen sind. Diese Prozesse nutzen fossile Brennstoffe als Hochtemperatur-Prozesswärme und als chemisches Reduktionsmittel. Eine aussichtsreiche Alternative für diese Anwendungsfälle ist Wasserstoff (H2), wenn H2 aus erneuerbarem Strom mittels Wasserelektrolyse erzeugt wird (Power-to-H2). Der als Nebenprodukt anfallende Sauerstoff bietet weitere Vorteile, weil dieser in der Kupferproduktion verwendet werden kann. Zur optimalen Auslegung eines Power-to-H2 Systems formulieren wir ein MILP, das die annualisierten Gesamtkosten minimiert. Die resultierenden CO2-Vermeidungskosten liegen mit 201EUR/t CO2-eq über heutigen EU-Emissionszertifikatspreisen. Eine Sensitivitätsanalyse zeigt jedoch großes Potenzial durch Weiterentwicklung der Wasserelektrolyse. Die Dekarbonisierung durch Power-to-H2 bietet weiteres DR-Potenzial. Unser Betriebsplanungsmodell der dekarbonisierten Produktion zeigt, dass DR stark dazu beiträgt niedrige CO2 Vermeidungskosten zu ermöglichen. Folglich ermittelt diese Arbeit das Potenzial einer dekarbonisierten Kupferproduktion, die ein kritisches Material für emissionsarme Technologien bereitstellt und das Stromnetz durch DR unterstützt.