Wärmewende | Energietransformation der chemischen Energie
DeFi
Chemiewerk mit Photovoltaikanlage
Die Chemiebranche ist gefordert, fossile Energieträger soweit wie möglich durch Energie aus erneuerbaren Quellen zu ersetzen. Um ihren enormen Energiebedarf zu decken, werden ein Mix unterschiedlicher Energiequellen und Energiespeicher benötigt. Die vorhandenen Ressourcen effizient einzusetzen, ist eine weitere Herausforderungen im Rahmen der Umstellung.
Die Wärmeversorgung der Industrie erfolgt bis heute vorwiegend mit fossilen Energieträgern. Im Projekt Defossilisierung von Industrie und Wärme werden Methoden entwickelt, um den Betrieb und die Konzeptionierung der Versorgungsinfrastruktur von Industrieprozessen nicht nur kostenoptimal sondern auch unter minimalem Einsatz fossiler Energieträger zu realisieren. Im Speziellen werden Batch-Prozesse (auch Chargenprozesse genannt) betrachtet, wie sie häufig in der Spezial- und Feinchemie vorzufinden sind. Batch-Prozesse sind Produktionsverfahren, bei denen Materialien in festen Mengen, die als Chargen bezeichnet werden, bestimmte Prozessschritte in einer festen Reihenfolge durchlaufen. Dabei beginnt und beendet die gesamte Charge den jeweiligen Produktionsschritt gleichzeitig und die nächste Charge wird erst gestartet, sobald alle Produktionsschritte der vorherigen Charge abgeschlossen sind. Beispiele für solche Prozessverfahren sind die Synthese von Medikamenten in Reaktoren, oder das Härten von Stahl in Wärmebehandlungsöfen. Im Vergleich zu kontinuierlichen Prozessen ist die Abwämenutzung aufgrund der diskontinuierlichen Betriebsweise und den damit verbundenen zeitlichen Schwankungen der Abwärmeverfügbarkeit schwieriger. Kommen zusätzlich noch volatile Verfügbarkeiten von erneuerbaren Energien hinzu, bedarf es Änderungen in der Betriebsweise des Prozesses und Versorgungssystems sowie gegebenenfalls auch struktureller Änderungen am Prozess und im Versorgungssystem selber.
Produktionsweise von Batch-Prozessen im Vergleich zu kontinuierlichen Prozessen
Ganzheitliche Optimierung von Energieversorgung und Produktionsprozessen
Eine umfassende techno-ökonomische Analyse zur erfolgreichen Dekarbonisierung erfordert also die gleichzeitige Optimierung der Energieversorgungsstruktur sowie des Betriebsablaufs und der Produktionsprozesse. Hierfür sind detaillierte, zeitaufgelöste Simulationsmodelle erforderlich, die eine Optimierung über genügend große repräsentative Zeiträume (zum Beispiel ein typisches Betriebsjahr) ermöglichen, sowie fundierte Prozesskenntnisse, um realitätsnahe und nachhaltige Lösungen zu entwickeln. Das DLR-Institut für Solarforschung verfügt bereits über eine etablierte Simulationsumgebung für energetische Hybridsysteme, die derzeit weiterentwickelt wird, um eine nahtlose Schnittstelle zu verschiedenen Optimierungsverfahren für Betrieb und Struktur zu schaffen. Zudem wird die Simulationsumgebung um chemische Stoffströme und Produktionskomponenten erweitert, um eine umfassendere Abbildung chemischer Prozesse zu gewährleisten. Ein zentraler Schwerpunkt liegt in der Kopplung von Produktions- und Energieversorgungssystemen. Das DLR-Institut für Solarforschung und das DLR-Institut für CO₂-arme Industrieprozesse entwickeln gemeinsam neue Optimierungsalgorithmen, um die Wechselwirkungen zwischen Energiebereitstellung, Prozessführung und Produktionsablauf ganzheitlich zu erfassen und zu optimieren. Für diese Ansätze spielt auch die Prozesscharakterisierung eine wichtige Rolle, um Prozessabläufe zu verstehen und Energie- und Ressourcenbedarf einzelner Produktionsstufen zu identifizieren. Am Institut für Solarforschung werden deshalb zusätzlich Verfahren zur Prozesscharakterisierung im Rahmen des Projekts entwickelt, die eine Analyse des Flexibilisierungspotenzials der Prozesse unter Berücksichtigung von Aspekten wie Lastverschiebung, Lastregelung und Anpassung an variable Energieangebote ermöglichen. Die neu entwickelten Methoden und Optimierungsalgorithmen werden anschließend an verschiedenen Batch-Prozessen aus der chemischen Industrie getestet und angewendet, um deren Wirksamkeit und Anwendbarkeit in der Praxis zu validieren.
CO₂-Reduktion und Kosteneinsparungen durch optimierte Energieversorgung
Die Defossilisierung des Energieversorgungssystems reduziert CO₂-Emissionen und ermöglicht zusätzlich durch Nutzung von erneuerbaren Energieerzeugen und Niedrigstromperioden signifikante Kosteneinsparungen. Die entwickelten Optimierungsansätze sind auf andere Branchen mit Batch-Prozessen, wie beispielsweise die Lebensmittelindustrie, übertragbar. Damit trägt das Projekt zur nachhaltigen Transformation verschiedener Industriezweige bei.
