Neuer Sonderforschungsbereich an RUB: Ingenieure wollen durch Computersimulationen energie- und ressourcenintensive großindustrielle Produktionsverfahren effizienter machen
Forschungsteams der Universitäten Bochum (RUB) und Magdeburg wollen erstmals Computersimulationsmodelle für bisher schwer kontrollierbare, aber sehr energieintensive Partikel-Produktionsverfahren entwickeln. Ziel des neuen Sonderforschungsbereichs ist es einer RUB-Medienmitteilung zufolge, durch eine exakte Vorhersage von unzugänglichen Produktionsprozessen, zum Beispiel bei der Herstellung von Zement oder Keramik in Hochtemperaturöfen, den bisher kaum beherrschbaren Einsatz von Material und Energie präziser zu berechnen und damit sowohl den Verbrauch fossiler Brennstoffe als auch den CO2-Ausstoß signifikant zu reduzieren.
Viktor Scherer bei der Untersuchung des Fließverhaltens von Modellpartikeln in einem Schachtofenexperiment – Foto © RUB, Marquard
Produktionsprozesse fordern 17 Prozent des deutschen Energiebedarfs
Im Rahmen eines soeben von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) mit fast 10 Millionen Euro bewilligten Sonderforschungsbereiches/Transregios 287 „Bulk-Reaction“ werden rund 40 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus den Ingenieurwissenschaften, der Informatik und Physik innerhalb der nächsten vier Jahre gemeinsam Computersimulationsmodelle entwickeln und diese anschließend durch neuartige experimentelle Messverfahren validieren.
Bei sogenannten thermischen Produktionsverfahren wie sie in Öfen bei der Weiterverarbeitung von Erzen und Baustoffen oder der Produktion von Stahl, aber auch bei der Kaffeeröstung beziehungsweise Trocknung von Tabletten stattfinden, werden die Partikel der zu verarbeitenden Grundstoffe, Lebensmittel oder Medikamente bewegt und die Schüttung durch ein Gas durchströmt. Die durch die Strömung ausgelösten chemischen Reaktionen dienen zur Weiterverarbeitung der Partikel.
Endlich in den Ofen hineinschauen
„Die Berechnungen der chemischen Reaktionen zwischen den Partikeln und den Gasen haben große Schwächen und sind nur sehr vage. Da ist noch sehr viel Trial und Error“, beschreibt der Sprecher des Verbunds, Prof. Viktor Scherer, Inhaber des Lehrstuhls für Energieanlagen und Energieprozesstechnik an der RUB, das Problem. Dadurch werde das Potenzial der Verfahren nicht ausgeschöpft, die Prozesse verliefen suboptimal und es entstünden Einbußen bei der Qualität der Produkte, zum Beispiel beim Röstgrad von Kaffeebohnen, beim Energieverbrauch und der Nutzung fossiler Ressourcen. Der Grund des fehlenden Einblicks liege einerseits in der schieren Größe der Produktionsanlagen und andererseits bei den hohen Temperaturen von bis zu 2.000 Grad Celsius. Das mache Messungen schwierig bis unmöglich, so Scherer weiter: „Wir wissen also genau, was da in den Ofen hineingeht, und wir wissen ziemlich gut, was herauskommt. Aber wir wollen nun endlich auch reingucken“.
Um dieses Ziel zu erreichen, verfolgen die beiden Forschungsteams erstmals einen neuen Ansatz: Sie koppeln numerische Berechnungen und computerbasierte Simulationen mit innovativen experimentellen Messtechniken, um die Berechnungen anschließend zu überprüfen und zu validieren.
Die Herausforderung bei der exakten mathematischen Beschreibung der Vorgänge in den hochtemperierten, geschlossenen Systemen bestehe darin, so Scherer, trotz mehrerer Millionen vorhandener Partikel die Rechenzeit zu begrenzen. Nur dann werde es möglich sein, künftig Prozesse in großen Industriereaktoren von mehreren zehn Metern Höhe zu berechnen. Die Schwierigkeit der sich anschließenden experimentellen Messungen liege hingegen eher in den hohen Temperaturen dicht gepackter Partikel, so der Energietechniker weiter. „Um dieses Problem zu lösen, werden wir neue und innovative Messverfahren einsetzen, zum Beispiel Radartechnik, Positronen-Tomografie oder Magnetresonanz-Tomografie.“
Messdaten und Simulationsverfahren intelligent koppeln
Durch die Kombination aus experimentellen Methoden, neuartigen Messverfahren und numerischen Analysen industrieller Prozesse steige die Qualität der Produkte bei sinkendem Anteil von Ausschuss und reduziertem Energieeinsatz, fasst Prof. Dr. Dominique Thévenin, Co-Sprecher des Verbunds und Inhaber des Lehrstuhls Strömungsmechanik und Strömungstechnik der Universität Magdeburg, das langfristige Ziel zusammen. „Unsere Motivation für die weitere Prozessentwicklung ist es, den CO2-Fußabdruck zu verkleinern“, so Thévenin weiter. „Das kann uns nur gelingen, wenn wir alle physikalisch-chemischen Prozesse vollständig verstehen.“ Durch die Digitalisierung der Produktionsprozesse versprechen sich die Wissenschaftler, künftig auch erneuerbare Energieträger wie Wasserstoff oder Biomasse für diese Produktionsverfahren einsetzen zu können.