数字化转型四步走，助力钢铁行业“氢”装上阵
2024-02-22 15:58:53   来源： ()　   评论：0 点击：

“双碳”目标下,冶金行业作为高能耗、高排放的行业之一,面临着前所未有的碳减排压力,业内亟需从高碳工艺向低碳工艺转变,加大清洁低碳能源替代煤炭的应用。其中,尤以钢铁行业为最,为实现近零排放,钢铁企业除了要积极采用低碳零碳燃料方案,还需加快数字化转型,提升整体能效和运营效率;同时,企业也必须结合利用诸如氢基炼钢、铁矿石电解,以及碳捕集、利用与封存(CCUS)等变革性技术,以达到高效脱碳。

氢能作为一种可制备、可运输的清洁能源,通过可再生能源生产的绿氢(GH2),有助于构建清洁低碳安全高效的能源体系。当前,我国正积极探索氢能在冶金、化工等工业领域替代化石能源的应用空间。国家发展改革委、国家能源局联合印发《氢能产业发展中长期规划(2021-2035年)》提出,探索氢能冶金示范应用,将作为“十四五”时期氢能产业创新应用示范工程之一。

向绿氢燃料转型,无疑是推动炼钢等“碳减排困难型”行业迈向碳中和的有效手段之一。然而,当前我国氢能制备的原料以化石燃料为主,绿氢制备面临生产成本高、专用基础设施不全、能量损失较大等难题,在大规模商业化应用方面仍有一定距离。施耐德电气认为,制氢企业需要全方位加强可再生能源的整合能力,以更低成本、更高效益且更大生产规模的绿氢制备,助力更多高能耗行业企业实施碳减排。在此过程中,绿氢工厂的数字化运营能力成为高质量制氢的关键。

数字赋能,高效整合绿氢制备全流程

立足行业真实需求,施耐德电气提供绿氢一体化设计与运营解决方案,以数字化手段帮助企业减少碳足迹、降低总资本和运营支出,并最大化提升绿氢整合效率。具体而言,主要从以下四个维度赋能绿氢工厂“设计工程施工到生产运营维护”全生命周期:

1. 集成设计与仿真模拟:绿氢制备是电力密集型的生产流程,其能源系统设计需具备对电力和过程的仿真建模能力。

依托施耐德电气AVEVA Pro/II & Process Simulation工艺模拟仿真软件和AVEVA E3D Design三维设计软件,绿氢工厂可构建以生产过程机理为基础的工艺生产流程数字孪生,对多种设计和场景进行集成建模,包括天气、设备、流程、承购商需求波动和本地基础设施(当前和未来)等变量,通过模拟设备属性和在线工艺行为,对设计、建设到生产的整体设计进行寻优,实现投资回报最大化和风险最小化。其中,基于模拟仿真与工厂3D设计工具集成的数字孪生解决方案有助于:

实现各环节无缝过渡,缩减工程施工时长;

减少人为失误,以及因其导致的返工风险;

集成过程和电力设计,构建一个工程数字孪生底座;

集成能源管理和过程模拟,实现过程设备端到端的耦合联动及全面分析;

提升整体性能,并确保过程设备和配电设备之间的设计完整性。

在建造与交付阶段,施耐德电气提供涵盖AVEVA ERM材料和施工管理系统、AVEVA AIM资产信息管理平台(数字化交付)和AVEVA OTS操作员仿真培训系统在内的解决方案,帮助绿氢工厂搭建一个三维可视化的数字化工厂,为参与项目的设计院、施工方、设备供货商、客户建立一个跨组织协作、信息共享平台,从而能够在保证施工数据和交付数据质量的同时,减少成本浪费并优化操作工序。

2. 配电优化:目前,成本过高是掣肘高能耗行业向绿色氢能燃料转型的核心问题之一。根据《中国绿色氢能发展路线图》,我国绿氢的生产成本介于33.9-42.9元/千克(4.92-6.23美元/千克)之间,若要替代煤制氢,其生产成本需降至6.8-12.1元/千克(0.99-1.76美元/千克)。千兆瓦级的绿氢项目作为高能耗行业实施碳减排的关键支撑,其当前的首要任务是降低生产成本,并提高供给量,不断提升绿氢应用的市场覆盖率。

借助施耐德电气全新可扩展的模块化配电解决方案,绿氢工厂可有效降低绿氢的制备成本,尽可能缩小与媒制氢的成本差距。这些升级版电力架构采用标准化的紧凑型设备,能够更好地帮助工厂强化自身的可扩展性。而结合配电设计优化工具以及模块化的E-House预制式变电站等,工厂还能平稳过渡到低成本且稳健的配电方案。

此外,基于施耐德电气ETAP电力系统仿真软件和AVEVA工业软件的组合,工厂可覆盖绿氢耦合化工全流程,对可再生能源产电制氢用氢过程中的供能配电和工艺生产过程中的波动间歇性、安全连续性、可用性与经济性进行预测模拟,进一步挖掘数据价值,实现整体效益最大化。

3. 安全、高效的运营与维护(O&M):氢气是一种易燃易爆气体,如果处理不当,容易引起火灾、爆炸等严重后果。对工厂而言,制氢过程的安全性和稳定性显得尤为重要。因此,绿氢工厂需要将能源和过程管理系统与集成安全和网络信息安全相结合。而该组合系统,还将高效集成施耐德电气EcoStruxure Foxboro DCS分布式控制系统、安全仪表系统(SIS)和能源管理系统,配合数字孪生解决方案可在项目设计阶段进一步提升安全性,并有助于:

降低资本支出;

减少硬件设备需求;

缩短工程建造及功能测试时长;

尽可能减少调试需求;

集成控制平台、预测性仿真和一体化运营、资产绩效管理,以及网络信息安全软件等。

针对运营数据的利用,施耐德电气还将为绿氢企业提供AVEVA PI System运营大数据管理平台,对生产过程的数据进行分析、挖掘和可视化,促进云边端融合,帮助企业优化决策质量。配合AVEVA Predictive Analytics 预测性维护系统、EcoStruxure PMA预测性维护顾问、APC先进过程控制软件等,可在有效增强设备可靠性和可用性、减少非计划性停车的同时,提高电能利用效率。而通过集成各生产运营子系统数据而打造的AVEVA UOC一体化运营中心,还能助力企业打通信息孤岛,提高管理效率,减少因信息不对称造成的时间和成本浪费。

4. 咨询先行,优化生产用能:能源成本是工业企业绕不开的“大山”。企业生产用能策略是否稳健、可靠,将影响其长期利润。比如,在钢铁生产中,能源成本占比可达20-40%,而为了降低该成本,部分钢铁生产商正转向低成本的可再生能源方案;有些则寄希望于签署长期的电力采购协议(PPA),以锁定其在较长时期内固定的能源价格。

对制氢企业而言,借助合理优质的生产用能配置,可有效降低制氢成本,促进绿氢能源的推广。目前,越来越多企业正联合成熟的咨询机构,通过量身定制的能源策略,优化能源资源组合,并利用人工智能(AI)等前沿技术来预测生产用能消耗。施耐德电气EcoStruxure Microgrid Advisor微网能源顾问(EMA)采用基于AI的独有优化控制算法,通过边缘控制与互联互通的设备实现控制指令和数据传输,可满足市电接入、分布式能源(DER)和用能设备的多种调配需求;并根据实时电价、天气数据及用电量,适时调整资源调配,让厂区和园区实现从新能源发电端,到电能储存、负荷用电需求的完美平衡,从而在各个维度为制氢企业带来可观的经济收益。

举生态之力,共促高能耗行业绿色发展

以钢铁行业为代表的高能耗行业,正致力于通过数字化转型,减少自身碳排放,这与施耐德电气在可持续发展方面的核心战略不谋而合。施耐德电气在全球200多家工厂和物流中心均已完成数字化升级和转型,这些减碳成果更是获得了包括企业爵士(Corporate Knights)、世界经济论坛(World Economic Forum)等权威机构在内的高度认可。

施耐德电气依托“AVEVA + ETAP”双擎,在助力绿氢企业实现“高级分析”和“柔性运营”双效的同时,也将为炼钢等高能耗企业提供先进的数字化与可持续发展咨询,以及软硬件一体化、贯穿能源管理与自动化的整体解决方案,助力其提高工厂全生命周期的生产效率,并降低碳排放,推动高能耗行业的高效与可持续发展。

立足绿色氢能领域的行业需求,施耐德电气将通过覆盖与整合从新能源发电、绿氢生产车间到市电/绿电/微网链接,以及终端用户的全流程、全生命周期解决方案,持续为绿氢行业上下游产业链赋能,携手客户开辟绿色新路径,一同迈向更加开放、高效与韧性、可持续和以人为本的未来工业。