Die Basischemikalie Methanol birgt ein hohes Potenzial als Wasserstoffträger im Energiesystem der Zukunft. Aufgrund der hohen Treibhausgasemissionen bei seiner heutigen Herstellung aus Gas oder Kohle muss es in Zukunft aus erneuerbaren Quellen oder aus kohlenstoff- und wasserstoffhaltigen Abgasen hergestellt werden.
Ein solches Abgas liegt in der Stahlindustrie vor: Bei der Verhüttung von Koks und Eisenerz zu Stahl fallen erhebliche Mengen Koksofengas, Hochofengas und Konvertergas an. Dadurch sind die Hüttenwerke für etwa sechs Prozent der deutschen CO2-Emissionen verantwortlich.
Das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) hat in einer Miniplant am Stahlwerk von Thyssenkrupp Steel Europe in Duisburg über mehr als 5.000 Betriebsstunden die Umwandlung gereinigter Hüttengase zu Methanol demonstriert. In der zweiten Phase des Forschungsprojekts Carbon2Chem produzierte das Institut insgesamt rund 2.000 Liter Rohmethanol. Durch den Einsatz eines digitalen Zwillings konnte die Produktionsmenge an Methanol um 39 Prozent gesteigert werden.
Digitaler Zwilling bildet reale Anlage ab
Begleitend zum Anlagenbetrieb entwickelte das Fraunhofer ISE eine Simulationsplattform, die als digitaler Zwilling der Miniplant dient. „Die Basis des digitalen Zwillings ist die Kenntnis eines kinetischen Modells, das die zugrundeliegenden Reaktionen mit sehr hoher Genauigkeit beschreibt", erläutert Simulationsexperte Florian Nestler vom Fraunhofer ISE. „Durch dessen Kombination mit einem detaillierten Reaktor- und Prozessmodell in unserem Simulationsprogramm lassen sich stationäre und dynamische Betriebszustände einer ganzen Chemieanlage berechnen." Mithilfe realer Messdaten aus den über 5.000 Betriebsstunden passten die Forscher den digitalen Zwilling so an, dass er das Verhalten der realen Anlage mit hoher Übereinstimmung beschreibt.
Optimierungsalgorithmus findet bessere Betriebspunkte
Ein Optimierungsalgorithmus suchte im Betriebsfenster der Anlage nach Parametern für eine besonders hohe Produktivität. Die Vorschläge ließen sich anschließend direkt an der Anlage einstellen. Im konkreten Betrieb erreichte das Fraunhofer ISE die Steigerung um 39 Prozent durch Anpassung der Reaktoreintrittstemperaturen, des Rezyklatverhältnisses und der Wasserstoffbeimischung. Die modellunterstützte Optimierung sei dabei deutlich effizienter gewesen als eine rein experimentelle Suche nach besseren Betriebspunkten, so das Institut.
Plattform soll auch für Jet Fuels genutzt werden
„Wir konzentrieren uns nach Abschluss unserer Arbeiten nun darauf, auch für andere Produkte wie Dimethylether oder Jet Fuels vergleichbare Daten zu sammeln und unsere Simulationsplattform für weitere digitale Zwillinge von Anlagen zu nutzen", sagt Projektleiter Max Hadrich.
»Die Arbeiten des Fraunhofer ISE erlauben Planspiele für eine Reihe von Szenarien: Teillastbetrieb einer Anlage, Skalierung auf nächstgrößere Produktionsmenge, schwankende Produktionsbedingungen«, schlussfolgert Dr. Matthias Krüger vom Projektpartner thyssenkrupp Uhde.
„Gerade für Power-to-X-Prozesse mit schwankenden Eingangsbedingungen sind digitale Zwillinge wichtige Werkzeuge für das Verständnis und die Optimierung der Katalysatoren und der Prozesstechnologie", erläutert Andreas Geisbauer vom Projektpartner Clariant. Das Projekt Carbon2Chem wird vom Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) gefördert und befindet sich nach Angaben des Fraunhofer ISE in der dritten Förderphase.
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