Methanol ist eine Basischemikalie mit einem hohen 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 6 Prozent der deutschen CO2-Emissionen verantwortlich. Das Hüttenwerk der thyssenkrupp Steel Europe in Duisburg steht im Mittelpunkt des Forschungsprojekts „Carbon2Chem®”. Dieses Projekt untersucht die stoffliche Nutzung der oben genannten Hüttengase. Beteiligt sind Partner aus der Industrie, Forschung und Lehre. In der zweiten Projektphase produzierte das Fraunhofer ISE in einer Miniplant insgesamt ca. 2.000 l Rohmethanol aus gereinigten Hüttengasen.
Digitaler Zwilling beschleunigt Prozessoptimierung
Begleitend zu diesen praktischen Arbeiten entwickelte das Institut eine Simulationsplattform, die als digitaler Zwilling der Miniplant für die Methanolsynthese fungierte.
„Die Basis des digitalen Zwillings ist die Kenntnis eines kinetischen Modells, das die zugrundeliegenden Reaktionen mit sehr hoher Genauigkeit beschreibt”, erläutert Simulationsexperte Dr. 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.”
„Auf dieser Basis lassen sich im nächsten Schritt belastbare techno-ökonomische Optimierungen vornehmen”, ergänzt Dr. Achim Schaadt, Abteilungsleiter „Nachhaltige Syntheseprodukte”.
Die konkrete Aussagekraft eines digitalen Zwillings für eine spezifische Anlage ergibt sich durch die Anpassung auf deren Kenndaten. Hierzu zählen z. B. Reaktorgeometrie, verwendeter Katalysator und einstellbare Betriebsparameter. Unter Nutzung realer Messdaten aus über 5.000 Betriebsstunden der Miniplant am Stahlwerk in Duisburg wurde der digitale Zwilling so an die reale Anlage angepasst, dass er das reale Verhalten der Anlage mit hoher Übereinstimmung beschreibt. Im nächsten Schritt suchte der Optimierungsalgorithmus des digitalen Zwillings im Betriebsfenster der Anlage nach Betriebsparametern, die eine besonders hohe Produktivität ermöglichen. Die Vorschläge des Algorithmus konnten anschließend an der Anlage eingestellt werden. Insgesamt war die modellunterstützte Optimierung deutlich effizienter als eine rein experimentelle Suche nach besseren Betriebspunkten.
Digitaler Zwilling liefert zufriedenstellende Ergebnisse
„Wir sind mit den praktischen und simulativen Ergebnissen aus Carbon2Chem® sehr zufrieden«, berichtet Projektleiter Max Hadrich. „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.”
Steigerung der Produktionsmenge an Methanol von 39 %
Im konkreten Anlagenbetrieb in Duisburg erreichte das Fraunhofer ISE durch Anpassung der Reaktoreintrittstemperaturen sowie des Rezyklatverhältnisses und der Wasserstoffbeimischung eine Steigerung der Produktionsmenge an Methanol um 39 Prozent. Dazu nutzte das Fraunhofer ISE Wasserstoff und Hochofengas.
„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 Dr. Andreas Geisbauer vom Projektpartner Clariant.
Projektförderung
Das Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) fördert das Projekt Carbon2Chem®. Es befindet sich aktuell in der dritten Förderphase. Das Fraunhofer ISE war an den ersten beiden Phasen beteiligt und arbeitete an der Grundsteinlegung für eine erfolgreiche Phase 3 mit.
