„Das CO₂ reduzieren…“

Henning Wagner (thyssenkrupp Transrapid): Simulationsgestützte Systemintegration

Wagner ressortiert im L0-Unterprojekt von  Carbon2Chem® – Titel: „Systemintegration – Technikum – Labor“ und arbeitet dort mit dem MPI CEC, UMSICHT und Siemens zusammen. Er beschrieb zunächst den Zweck der Gesamtsimulation: Der sei zunächst ein Funktionsnachweis, dann aber auch, eine Optimierungsgrundlage zu schaffen, um schließlich eine wirtschaftlich-ökologische  Bewertung vorzunehmen. Dann Entwicklung, bzw. Veränderungen von Steuerungen und Regulatorien.

Wagner gab einen Einblick in die schier endlose Reihe der Simulationskriterien auf Sortware-Ebene, auf Algorithmus-Ebene und auf Modellebene:

Die Ergebnisse werden herunter kommuniziert in die einzelnen Anlagen und Wechselwirkungen untersucht mit dem Ziel der Optimierung der prozesslogistischen Steuerung, beispielsweise von Stoffströmen und Speicherzuständen.

Anschließend Verwertung der Simulations-Ergebnisse im Prozess der Systemintegration.

 

Wenn die nachhaltige (Wieder-)Nutzung von entwickelten Simulatoren und Analysewerkzeugen über alle Lebensphasen hinweg betrachtet wird (und nach diesem Konzept im Projekt C2C) können die Werkzeuge aus der frühen Konzeptphase in zukünftigen Arbeiten mit der Prozessausrüstung verbunden werden, um als Entscheidungshilfe oder modellbasierte Controller zu dienen.

[note Zusammenfassung und Ausblick

• Software-Framework für Co-Simulation entwickelt, getestet und in Verwendung für die Konzeptanalyse von Anlagenverbünden;
• Verfahrenstechnische Modelle verschiedener Anlagen entwickelt und in Co-Simulations-Framework integriert;
• Prozesslogistische Optimierungstools entwickelt und in Co-Simulations framework Integriert;
• Gekoppelte Simulationen mit prozesslogistischen Optimierern und verfahrenstechnischen Modellen getestet.

Ausblick

• Wirtschaftlich-ökologische Bewertung der Simulationsergebnisse;
• Iterative Optimierung der Prozesskonzepte auf Basis der Simulationsergebnisse;
• Erweiterung der Anlagenverbundmodelle zur Abbildung weiterer Prozesskonzepte;
• Erweiterung einzelner Modelle um weitere physikalische Effekte mit abzubilden (z.B. Catalyst-Aging);
• Erweiterungen der prozesslogistischen Steuerungen, insbesondere um Model Predictive Control-Ansätze.)

Sebastian Stießel (UMSICHT): Techno-ökonomische Bewertung von CCU- und Power-to-X-Konzepten

Stießel begann mit einer einfachen Schnittmengen-Grafik:

Eine Folie  von Deerberg erweiternd, entwickelte er  ein „Vorgehensmodell bei der Gesamtsystembewertung“:

Anschließend zeigte er die Untersuchung von Prozesskonzepten:

• Definition von Blockfießbildern mit unterschiedlichen Anlagenkonfigurationen:

• Hohe Anzahl an Freiheitsgraden – bei
• H₂-Bereitstellung
• Dimensionierung/Gasbereitstellung
• Synthesen
• Off-Gas-Nutzung

• Zunächst sei ein einfaches Konzept zur MeOH-Produktion ausgelegt und bewertet worden – weitere Schritte:

• Ergänzung von Optimierungspotenzialen
• Bewertung von Polygenerations-Systemen

Darauf aufbauend definierte Stießel die Ziele von Wirtschaftlichkeits-Betrachtungen

1. Einfache Abschätzungen der ökonomischen Auswirkungen von Szenariovariationen
   • Verwendete Gasströme
   • Verwendete Technologien
   • Marktpreise
2. Erstellung von Sensitivitätsanalysen
3. künftige Möglichkeit des Vergleichs verschiedener Prozesskonzepte

Die Herangehensweise enthielt zahlreiche Punke, die berücksichtigt werden mussten (die Volatilität setze allerdings Grenzen): Grundlage seien Blockfließbild des Prozesskonzepts (MeOH-1-a), bestehend aus Gasreinigung, Elektrolyse und Methanolsynthese. Weiter seien  Feedgaszusammensetzung und -mengen zu bewerten. Schließlich folgten Molenbilanzen unter Berücksichtigung des Stöchiometriefaktor und der Carbon Efficiency. Unter Energie und Stoffströme zähle Stießel fünf Punkte auf

1. Output (Methanolproduktion);
2. Investitions- und Herstellkosten;
3. Zusätzlicher Wasserstoffbedarf;
4. Strombedarf (Elektrolyse, Kompression, Ersatz des Hüttengases);
5. CO₂-Bilanz.

Es folgten Untersuchungen von Infrastruktur, Stofftransport, ob per Pipeline, Schiff, Schiene oder Lkw, regionaler Erneuerbarer Energien-Potenziale, und der installierten Erneuerbaren Energien-Anlagen samt deren Zubauquote, Weiter wurde der Stromtransport  unter die Lupe genommen und schließlich der chemische Prozess selbst: Dafür seien Syntheserouten durchleuchtet worden, wie die Methanolroute, Ammoniak, Harnstoff, Höhere Alkohole, Polymer-Route.

Wesentliches Kriterium war die gesellschaftliche Akzeptanz. UMSICHT habe ein eigenes Bewertungstool namens CIMS entwickelt:

Ein Beispiel sei Langensalza: die lokale cross-industrielle Symbiose – eine Art Mini-Carbon2Chem: Dort werde in einem Leistungszentrum Namens Dynaflex eine führende Plattform für Prozessdynamik und Adaptivität in der Energie- und Rohstoffwende aufgebaut, gleichzeitig eine  strategische Partnerschaft zwischen Wissenschaft und Industrie entwickelt zur Entwicklung von Toolboxen für Simulations·Frameworks mit dem Ziel digitaler Geschäftsmodelle.

Ausblick

Fortsetzung der Arbeiten in L0 zu den Themen Wirtschaftlichkeit und Gesamtsystembewertung; Zusammenführung der Bewertungstools von Fraunhofer und Siemens (statisch und dynamisch) und Gegenüberstellung verschiedener Prozesskonzepte und Szenarien.

Folgt: Görge Deerberg (UMSICHT) – Zusammenfassendes Schlusswort