Digitaler Zwilling steigert Methanol-Ausbeute aus Hüttengasen um 39 Prozent
Grafik: Fraunhofer ISEMethanol aus Hüttengasen als Baustein der Energiewende
Methanol gilt als vielseitige Basischemikalie und potenzieller Wasserstoffträger. Heute entsteht es meist aus fossilen Rohstoffen wie Erdgas oder Kohle. Künftig soll die Produktion verstärkt auf erneuerbaren Quellen oder industriellen Abgasen basieren.
Ein solcher Ansatz steht im Zentrum des Projekts Carbon2Chem®. Dabei werden sogenannte Hüttengase aus der Stahlproduktion genutzt. Diese Gase enthalten Wasserstoff und Kohlenoxide und fallen in großen Mengen an. Rund sechs Prozent der deutschen CO₂-Emissionen verursacht die Stahlindustrie. Am Standort Duisburg von thyssenkrupp Steel Europe AG wird deshalb die stoffliche Nutzung dieser Abgase erprobt.
Digitaler Zwilling beschleunigt Prozessoptimierung
Das Fraunhofer ISE betrieb im Projekt eine Miniplant zur Methanolsynthese über mehr als 5.000 Stunden. Dabei entstanden rund 2.000 Liter Rohmethanol aus gereinigten Hüttengasen. Parallel entwickelten die Forschenden einen digitalen Zwilling der Anlage. Dabei handelt es sich um ein Simulationsmodell, das reale Prozesse mit hoher Genauigkeit abbildet. Grundlage ist ein kinetisches Modell der chemischen Reaktionen, kombiniert mit einem detaillierten Anlagenmodell.
Durch den Abgleich mit realen Betriebsdaten konnte der digitale Zwilling präzise an die Anlage angepasst werden. So lassen sich sowohl stationäre als auch dynamische Betriebszustände simulieren. Ein Optimierungsalgorithmus analysierte anschließend das Betriebsfenster der Anlage. Ziel war es, Parameter zu identifizieren, die die Produktivität erhöhen.
39 Prozent höhere Methanolproduktion
Die Simulation lieferte konkrete Vorschläge für den Anlagenbetrieb. Diese wurden in der Praxis umgesetzt. Anpassungen betrafen unter anderem die Reaktoreintrittstemperatur, das Rezyklatverhältnis und die Wasserstoffbeimischung. Das Ergebnis: Die Methanolproduktion stieg um 39 Prozent.
Die modellgestützte Optimierung erwies sich dabei als deutlich effizienter als rein experimentelle Ansätze. Digitale Zwillinge ermöglichen zudem weitergehende Analysen. Dazu zählen Szenarien wie Teillastbetrieb, schwankende Eingangsstoffe oder die Skalierung auf größere Anlagen.
Plattform auch für Power-to-X-Anwendungen nutzbar
Die entwickelte Simulationsplattform lässt sich zudem auf weitere Prozesse übertragen. Dazu gehören etwa die Herstellung von Dimethylether oder synthetischen Flugkraftstoffen (Jet Fuels). Projektleiter Max Hadrich kündigt an, künftig zusätzliche Betriebsdaten zu erheben und die Plattform für weitere digitale Zwillinge von Anlagen zu nutzen. Gerade für Power-to-X-Prozesse mit variablen Einsatzstoffen gelten digitale Zwillinge als wichtige Werkzeuge. Sie unterstützen die Optimierung von Katalysatoren und Prozessführung.
Das Projekt wird vom Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt gefördert und befindet sich in der dritten Phase. Die bisherigen Arbeiten des Fraunhofer ISE bilden eine Grundlage für die weitere Skalierung und Anwendung der Technologie.
Quelle: Fraunhofer ISE | www.solarserver.de © Solarthemen Media GmbH