Energiewandlung

Die Umsetzung der Energiewende in Deutschland erfordert die effiziente Speicherung von Energie, insbesondere durch Umwandlung elektrischer Energie in Wasserstoff mittels elektro­chemischer Wasserspaltung. Wasserstoff kann nachfolgend durch Hydrierung von CO2 in synthetische Energieträger („eFuels“), z. B. in Methan und Methanol, umgesetzt werden. Diese Substanzen sind nicht nur der Schlüssel zur effizienten Speicherung erneuer­barer Energien, sondern sie stellen auch zentrale Knotenpunkte in den Wert­schöpfungs­ketten der chemischen Industrie dar. Ziel der Forschungsarbeiten des CDS ist es, neuartige „Power-to-X“ Prozesse unter Berücksichtigung eines dynamisch variierenden Stromangebotes zu entwerfen, zu simulieren und zu optimieren.

Weiterhin gewinnen Energieträger aus biologischer Produktion („Biofuels“), insbesondere Biomethan, zunehmend an Bedeutung. Für dessen Herstellung werden effiziente Biogas-Anlagen zur anaeroben Vergärung von Energiepflanzen sowie von Rest- und Abfallstoffen der Landwirt­schaft benötigt. In diesen Anlagen transformieren mikrobielle Gemeinschaften die eingesetz­ten Rohstoffe zu Methan und CO2. Ein wesentliches Ziel der Forschungsarbeiten des CDS ist es, ein grundlegendes Verständnis der komplexen Abbaumechanismen zu erlangen, um den Betrieb von Biogasanlagen zu optimieren und das Koppelprodukt CO2 für „Power-to-X“ Prozesse nutz­bar zu machen. Zur effizienten Separation von Methan und CO2 entwickelt das CDS innovative Adsorptions- und Absorptionsprozesse. Die Einspeisung von e-Methan und Biomethan in bestehende Gasverteilungsnetze verursacht dynamische veränderliche Fluss- und Druckverteilungen, die mit fortgeschrittenen mathematischen Methoden simuliert und optimiert werden.

Mit Blick auf eine fluktuierende Wasserstoff-Versorgung ist es wünschenswert, die CO2-Hydrierung in katalytischen Reaktoren durchzuführen, welche mit dynamisch veränderlichen Feedströmen betrieben werden können. Jedoch existieren bisher kaum verlässliche Entwurfsmethoden für dynamisch betriebene Reaktoren und es fehlen maßgeschneiderte katalytische Materialsysteme, welche zeitlichen Schwankungen von Gaszusammensetzung und Temperatur standhalten können. Eine konsistente Mehrskalen-Analyse der Systemdynamik, welche die Reaktions- und Transportprozesse auf den relevanten Zeit- und Längenskalen abdeckt, ist größtenteils nicht vorhanden. Dies ist ein weiteres wichtiges Themenfeld, welches das Forschungszentrum Dynamische Systeme (CDS) in enger Kooperation mit regionalen, nationalen und internationalen Partnern aus Wissenschaft und Wirtschaft bearbeitet.

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Letzte Änderung: 26.06.2020 - Ansprechpartner: M. A. Susanne Hintsch