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Helmholtz-Energie-Allianz "Energieeffiziente chemische Mehrphasenprozesse" / Forschungsthema 1: Systemanalysen

Helmholtz-Energie-Allianz "Energieeffiziente chemische Mehrphasenprozesse" / Forschungsthema 1: Systemanalysen
Projektteam:

Patyk, Andreas (Projektleitung); Dominik Poncette

Förderung:

Helmholtz-Gemeinschaft

Starttermin:

2012

Endtermin:

2015

Projektpartner:

HGF-Einrichtungen: Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), Institut für Fluiddynamik (Koordinator); KIT IMVT und KIT IKET
Universitäten: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Lehrstuhl für Chemische Reaktionstechnik; Technische Universität Hamburg-Harburg (TUHH), Institut für Mehrphasenströmungen; Technische Universität Dresden (TUD) mit Institut für Verfahrenstechnik und Umwelttechnik, Institut für Aufbau und Verbindungstechnik, Institut für Energietechnik; Ruhr-Universität Bochum (RUB), Institut für Thermo- und Fluiddynamik
Assoziierter Partner: Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme (IKTS)

Forschungsbereich:

Energie - Ressourcen, Technologien, Systeme

Projektbeschreibung

Kontext / Hintergrund

Für den Aufbau eines nachhaltigen Energiesystems sind wesentliche Effizienzfortschritte auf der Seite privater und gewerblicher Verbraucher erforderlich. In der Chemieproduktion ergeben sich erhebliche Effizienzpotenziale hinsichtlich Reaktortechnik, Selektivität von Reaktionen, Wärmemanagement, Prozessintegration und Prozesssteuerung. Vor allem chemische Mehrphasenreaktionen kommen bei zahlreichen wichtigen Prozessen zum Einsatz. Das Grundverständnis ist aufgrund einer Vielzahl unabhängiger Stellgrößen jedoch noch zu gering, um systematische Prozessoptimierungen für mehr Energieeffizienz durchführen zu können. Die Allianz soll diese Situation durch die Bündelung entsprechender F&E-Aktivitäten grundlegend verbessern.

Fragestellung / Ziele

Ziele der Allianz sind Methoden und Werkzeuge für eine verbesserte Prozesssimulation und ein verbessertes Prozessverständnis, die Optimierung der Prozessführung und die Konstruktion der dazu notwendigen Reaktoren und deren Demonstration an industriell relevanten Beispielprozessen. Als Beispiele wurden die Anilinerzeugung aus Nitrobenzol sowie die Oxidation von Isobutan zum Hydroperoxid ausgewählt. Die Reaktoren sollen z.B. mikrostrukturiert sein oder mit keramischen Schaum- oder Monolithstrukturen gefüllt werden.

Eine zentrale Rolle spielen die Systemanalysen, die als Forschungsthema 1 vom ITAS koordiniert werden. Die Analysen umfassen auch die technisch orientierten Verfahrenssimulationen (KIT IMVT, RUB), anhand derer die Systemintegration der chemischen Reaktion inkl. Wärmemanagement und Produktaufbereitung untersucht werden soll, also die Arbeiten der übrigen Forschungsthemen in einen übergeordneten Kontext gestellt werden. Umgekehrt sollen die Simulationsergebnisse stark richtungsweisende Funktionen haben für die gesamten F&E-Arbeiten. Es handelt sich dabei um eine quasi konstruktive Aufgabe mit der Zielgröße Energieeffizienz. Eine Auswahl energetisch erfolgversprechender Systemkonfigurationen und deren Komponenten werden detaillierter unter Umwelt-, Kosten- und Ökoeffizienzaspekten analysiert (ITAS). Ziele dieser Untersuchungen sind die Optimierung der Allianz-Konzepte und die Positionsbestimmung im Vergleich mit anderen Ansätzen, daraus die Identifikation perspektivhaltiger Anwendungsfelder und deren mögliche Beiträgen zu einer nachhaltigen Chemieproduktion.

Umsetzung

Die Arbeiten erfolgen über die gesamte Projektdauer. Basierend auf Literaturdaten und Expertenbefragungen werden für die Beispielreaktionen Referenzsysteme definiert, die integriert in Gesamtsysteme (inkl. Aufbereitung, Wärmemanagement usw.) mit Aspen® simuliert werden. Anhand des Inputs der übrigen Partner werden modifizierte Systeme konstruiert, simuliert und hinsichtlich ihrer Energieeffizienz ausgewertet.

Die detailliertere Umwelt-, Kosten- und Ökoeffizienzbewertung einzelner Systeme erfolgt im wesentlichen mit Stoffstrom- und Lebenszyklus basierten Methoden (umweltbezogenes Life Cycle Assessment - LCA, Life Cycle Costing - LCC). Zur Optimierung der Systeme werden Schwachstellenanalysen durchgeführt (LCA und LCC). Der Technologievergleich erfolgt als Ökoeffizienzbewertung. In die Abschätzung der Beiträge zur nachhaltigen Chemieproduktion fließen neben den systemspezifischen Ergebnissen auch Marktpotenziale ein.

Wesentliches Merkmal ist die Simulation umfassender Systeme. Dadurch stehen für die Nachhaltigkeitsbewertung nicht nur für den Kernprozess „Synthese“, sondern auch für die Peripherie spezifische Daten zur Verfügung. Die systemanalytischen Arbeiten werden im Laufe des Projektes entsprechend des Standes der technischen Arbeiten aktualisiert. Die jeweiligen Ergebnisse der aktualisierten LCA werden in den Entwicklungsprozess rückgespeist, um die Nachhaltigkeitsorientierung der F&E-Arbeiten zu sichern.

Kontakt

Dr. Andreas Patyk
Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Institut für Technikfolgenabschätzung und Systemanalyse
Postfach 3640
76021 Karlsruhe

Tel.: 0721 608-24606
E-Mail