Energiewandlung
Der Bereich Energieumwandlung beschäftigt sich damit, eine sichere Versorgung mit Strom und Wärme aus erneuerbaren Energien zu gewährleisten. Dafür muss der aus erneuerbaren Energien gewonnene Strom über längere Zeit chemisch, z.B. in Form von Wasserstoff, gespeichert werden. Innerhalb des CDS wird die Entwicklung von computergestützten Systementwürfen und die Optimierung der Energiespeicherung betrieben.
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.
