Wir betrachten Power-to-Chemicals (P2Chem) Prozesse, die Strom zur Herstellung von hochwertigen Chemikalien nutzen. Hierbei können grundsätzlich verschiedenste Komponenten wie katalytische Reaktoren oder Elektrolysezellen eingesetzt und miteinander kombiniert werden. Als Zielprodukt betrachten wir in diesem Projekt Synthesegas, aus dem man viele wichtige Basischemikalien erzeugen kann. In P2Chem befassen wir uns mit der mathematischen Analyse dieser Prozesse und den treibenden Fragestellungen unserer Industriepartner, der Avacon AG und der BASF SE. So gibt es eine große Anzahl denkbarer Verschaltungen zwischen Reaktions- und Separationsschritten zur Konversion stofflicher Gemische, die im Prozess auftreten. Wir möchten erstmals systematisch und mit Hilfe moderner Mathematik untersuchen, welche Varianten sinnvolle Beiträge zur Nutzung erneuerbarer Energie zur Chemieproduktion leisten können. Neben der Wirtschaftlichkeit und Ankopplungsmöglichkeiten an Gas- und Stromnetzwerke sind die Sicherheit und die Flexibilität der Prozessführung sehr wichtig. Es geht hier um das schnelle Reagieren auf zeitlich variierende Randbedingungen wie Preise oder Qualität biogener Rohstoffe. Dabei müssen rechtliche, ökonomische, ökologische und sicherheitstechnische Aspekte berücksichtigt werden. Im Rahmen von P2Chem wird erstmals eine enge Verzahnung zwischen Modellreduktion, PDE Optimierung und MINLP Verfahren angestrebt. So sollen Algorithmen entwickelt werden, um adaptiv reduzierte Modelle zum strong branching, zum diving und zur heuristischen Berechnung von oberen Schranken zu verwenden. Die Problematik der Adaption reduzierter Modelle an die Veränderung der Parameter innerhalb eines Optimierungsprozesses soll vor dem Hintergrund ähnlicher optimaler Lösungen in Teilbäumen betrachtet werden. Die automatisierte, stabile, robuste, parallelisierte und effiziente Optimierung einzelner Komponenten und relaxierter Superstruktur-Probleme ist ein weiterer elementarer Bestandteil.
Wir betrachten Power-to-Chemicals (P2Chem) Prozesse, die Strom zur Herstellung von hochwertigen Chemikalien nutzen. Hierbei können grundsätzlich verschiedenste Komponenten wie katalytische Reaktoren oder Elektrolysezellen eingesetzt und miteinander kombiniert werden. Als Zielprodukt betrachten wir in diesem Projekt Synthesegas, aus dem man viele wichtige Basischemikalien erzeugen kann. In P2Chem befassen wir uns mit der mathematischen Analyse dieser Prozesse und den treibenden Fragestellungen unserer Industriepartner, der Avacon AG und der BASF SE. So gibt es eine große Anzahl denkbarer Verschaltungen zwischen Reaktions- und Separationsschritten zur Konversion stofflicher Gemische, die im Prozess auftreten. Wir möchten erstmals systematisch und mit Hilfe moderner Mathematik untersuchen, welche Varianten sinnvolle Beiträge zur Nutzung erneuerbarer Energie zur Chemieproduktion leisten können. Neben der Wirtschaftlichkeit und Ankopplungsmöglichkeiten an Gas- und Stromnetzwerke sind die Sicherheit und die Flexibilität der Prozessführung sehr wichtig. Es geht hier um das schnelle Reagieren auf zeitlich variierende Randbedingungen wie Preise oder Qualität biogener Rohstoffe. Dabei müssen rechtliche, ökonomische, ökologische und sicherheitstechnische Aspekte berücksichtigt werden. Im Rahmen von P2Chem wird erstmals eine enge Verzahnung zwischen Modellreduktion, PDE Optimierung und MINLP Verfahren angestrebt. So sollen Algorithmen entwickelt werden, um adaptiv reduzierte Modelle zum strong branching, zum diving und zur heuristischen Berechnung von oberen Schranken zu verwenden. Die Problematik der Adaption reduzierter Modelle an die Veränderung der Parameter innerhalb eines Optimierungsprozesses soll vor dem Hintergrund ähnlicher optimaler Lösungen in Teilbäumen betrachtet werden. Die automatisierte, stabile, robuste, parallelisierte und effiziente Optimierung einzelner Komponenten und relaxierter Superstruktur-Probleme ist ein weiterer elementarer Bestandteil.
Die Transformation der deutschen Energieversorgung im Rahmen der Energiewende stellt eine enorme Herausforderung dar.
Oberstes Ziel ist der Klimaschutz bei gleichzeitiger Sicherstellung der Versorgungssicherheit durch bezahlbare technische Lösungen, die die volatilen erneuerbaren Energien sicher in die Netze integrieren.
Um diese Ziele erreichen zu können sind verschiedene Lösungsansätze notwendig, die sowohl einer Flexibilisierung auf Seiten der Erzeuger als auch der Verbraucher bedürfen. Eine verstärkte Kopplung der verschiedenen Sektoren, wie z.B. Strom, Gas und Wärme, Industrie oder Mobilität, rückt dabei immer weiter in den Fokus der Forschung. Eine zunehmende Bedeutung haben dabei Flexibilitätsoptionen, wie zum Beispiel Demand-Side-Management (DSM), Power-to-Heat (PtH), Power-to-Gas (PtG) oder auch die Erzeugung von chemischen Produkten (PtC) oder Kraftstoffen (PtF) aus Überschussstrom. Gemeinsam wird diese vielseitige Technologiefamilie häufig als Power-to-X abgekürzt.
Das Virtuelle Institut 'Strom zu Gas und Wärme' untersucht im Auftrag der nordrhein-westfälischen Landesregierung die Integration dieser Flexibilitätsoptionen vor dem Hintergrund des Energiemarktes, der Netzstabilität und des zunehmend zusammenwachsenden Gesamtsystems und leitet daraus Handlungsempfehlungen für Wissenschaft, Wirtschaft und Industrie ab.
Das geplante Forschungsvorhaben adressiert die Hauptziele der Bekanntmachung 'Kopernikus-Projekte für die Energiewende' des Bundesministeriums für Bildung und Forschung. Aufgrund der gestiegenen Umwelt- und Klimaschutzanforderungen sollen eine langfristige Dekarbonisierung der Energiesysteme und eine Speicherung und Nutzung des 'Überschussstromes' aus erneuerbaren Quellen erfolgen. Das Vorhaben soll im Erfolgsfall als Teil des Kopernikus-Projektes 'P2X' einen signifikanten Beitrag zu den Zielen der deutschen Energiewende leisten. Ziel des Vorhabens ist es, Lösungen zu erarbeiten, zu demonstrieren und zu implementieren, mit denen unter Einsatz erneuerbar erzeugter elektrischer Energie stoffliche Energieträger und chemische Produkte für Anwendungen in den industriellen Leitmärkten Energie, Transport/Verkehr und Chemie wirtschaftlich, zeitlich flexibel und auf die gesellschaftlichen Bedürfnisse abgestimmt produziert werden. Das ifeu bearbeitet hierbei das Arbeitspaket AP 5 des Forschungsclusters FC-A2 und es betätigt sich in der Roadmap durch ökologische Bewertung und Diskussion. Forschungscluster FC-A2: CO2 direkt, einstufig, elektrochemisch wieder in Rohstoffe mit hoher Wertschöpfung oder auch Energieträger umwandeln zu können, stellt die Umkehrung von Verbrennungs- bzw. anderen Nutzungsprozessen dar. Das Ziel des Forschungsclusters ist die Evaluierung der Elektrolyse von CO2 zu CO bezüglich Selektivität, Energieeffizienz und erreichbaren Stromdichten in einer industriellen Wertschöpfungskette. Roadmap: Die Roadmap ist essenzieller Bestandteil des Entscheidungsprozesses in P2X. Sie wird im engen Austausch mit der Analyse der ökonomischen, ökologischen und sozialen Rahmenbedingungen der einzelnen Technologieentwicklungen innerhalb der Forschungscluster entwickelt. Eine intensive Vernetzung zu den Kopernikus-Projekten der anderen Themenbereiche ist essenzieller Bestandteil der Aktivitäten.