Die Forderung nach einer stärkeren Dekarbonisierung auch der chemischen Industrie führt zu einer wachsenden Bedeutung des Einsatzes von Energie aus regenerativen Quellen und biobasierten Rohstoffen. Sowohl regenerative Energie als auch biobasierte Rohstoffe sind allerdings durch z.T. starke örtliche und zeitliche Schwankungen gekennzeichnet. Für den zukünftigen Betrieb verfahrenstechnischer Prozesse gewinnen daher ausreichend große Betriebsfenster und ein dynamischer Betrieb enorm an Bedeutung.
In der Arbeitsgruppe „Flexibilität und Dynamik in der Verfahrenstechnik“ beschäftigen wir uns mit der Erarbeitung von technischen Lösungen für die genannten Herausforderungen. Dazu kommen neben innovativen Messmethoden, rigorose Apparatemodellierung und dynamische Simulationen zum Einsatz. Auch moderne Fertigungsmethoden, wie beispielsweise der 3D Druck spielen eine wichtige Rolle.
Arbeitsgruppenleiterin
Team
Externes Team
Alumni*
Motivation
Die Minimierung von Treibhausgasemissionen in Produktionsvorgängen der Prozessindustrie durch Nutzung erneuerbarer Ressourcen führt zu Herausforderungen, die sich aus deren Variabilität der Art, Menge und Ortsverfügbarkeit ergeben. Zeitgleich stehen wandlungsfähige, modulare Produktionskonzepte der Prozessindustrie im Forschungsfokus, welche eine verbesserte Anpassbarkeit versprechen. Dieses Vorhaben verbindet diese Konzepte mit einem Systemansatz auf der Ebene lokaler Wirtschaftskreisläufe bestehend aus fünf Elementen, welche die Emission von Treibhausgasen minimieren: Die wandlungsfähigen Produktionssysteme selbst, lokale, biobasierte Rohstoffe, CO2 als Rohstoff, Energiebereitstellung aus erneuerbaren Ressourcen und dezentralisierte Netzwerke.
Ziel
Die übergeordnete Zielsetzung dieses Vorhabens ist die Machbarkeit, Nachhaltigkeit und Wirtschaftlichkeit dieser Idee zu zeigen und technologische, konzeptionelle und methodische Lücken zu schließen.
Zur Erreichung der übergeordneten Zielstellung werden vier Teilziele mit entsprechenden Arbeitspaketen angestrebt:
Projektpartner/innen
Gefördert durch
Bundesministerium für Bildung und Forschung
Projekt-Team
Motivation
Energie- und Grundstoffindustrie wachsen im Rahmen der Sektorenkopp lung zusammen; Volatilitäten im Energiesystem beeinflussen zunehmend auch die Produktionsprozesse. Als Konsequenz benötigen Energiewirtschaft und Produktion dynamische Modelle und digitale Plattformen, mit denen die Auswirkungen hoch volatiler Rahmenbedingungen auf Energiewandlung und Produktion abgeschätzt werden. So können aufeinander abgestimmte anpassungsfähige, adaptive und flexible Produktionssysteme vorausgeschaut und geplant werden. »Flexibilität« meint die Eigenschaft technischer Systeme, auf Veränderungen im Sekunden- und Stundenbereich zu reagieren. »Adaptivität« zielt auf die stetige Anpassung der Technologie bzw. des Systems an geänderte wirtschaftliche und politische Rahmenbedingungen über Jahre und Dekaden.
Ziel
Mit dem Leistungszentrum DYNAFLEX® wird in der Metropolregion Ruhr die führende Plattform für Prozessdynamik und Adaptivität in der Energie- und Rohstoffwende aufgebaut. International sichtbare Forschung, gemeinsame FuE-Roadmaps, digitale Geschäftsmodelle sowie neue Aspekte in der Lehre legen die Basis für eine langfristig angelegte strategische Partnerschaft zwischen Wissenschaft und Industrie. Wissenschaftliche und anwendungsorientierte Entwicklungen zum Verständnis der Dynamik von technischen Systemen erhöhen Flexibilität und Anpassungsfähigkeit von Prozessen und Technologien – und sichern deren Wettbewerbsfähigkeit.
Projektpartner/innen
Gefördert durch
Ministerium für Kultur und Wissenschaft des Landes Nordrhein-Westfalen
Projekt-Team
Motivation
Viele Zweige der Prozessindustrie wie die Feinchemie- und Pharmaindustrie sehen sich derzeit einer wachsenden Unsicherheit und Dynamik von Marktverläufen, zunehmenden Anforderungen zur Produktdifferenzierung und kürzeren Produktlebenszyklen ausgesetzt. Die Einführung wandlungsfähiger Produktionskonzepte stellt für die Prozessindustrie eine Innovation und eine radikale Abkehr von den bisherigen Gestaltungsprinzipien dar. Dabei ermöglichen diese durch ihren modularen Aufbau eine verbesserte Anpassung an diese dynamischen Randbedingungen in den Dimensionen Mengenausbringung, Produktvielfalt und Herstellungsort. Zudem befähigen diese Konzepte zu einer Verkürzung der Planungs- und Entwicklungszeiten.
Ziel
Um diese Systeme in eine funktionsfähige Betriebsumgebung zu integrieren und schnell (re)konfigurieren zu können, müssen sie adäquat logistisch ver- und entsorgt werden und im Sinne von Industrie 4.0 als cyper-physische Systeme „Plug & Produce“ funktionieren. Das Ziel des vom Land Nordrhein-Westfalen unter Einsatz von Mitteln aus dem Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) 2014-2020 „Investitionen in Wachstum und Beschäftigung“ geförderten Verbundvorhabens „Planungsassistenzsystem für modulare Industrie 4.0 Anlagen in der Prozessindustrie – LEGOLAS“ besteht daher in der Entwicklung eines simulationsbasierten Planungsassistenzsystems zur Planung und Bewertung dieser Systeme. Das Planungsassistenzsystem ermöglicht die schnelle und frequente (Re)konfiguration modularer Produktionssysteme, um kurzfristig auf veränderte Bedarfssituationen reagieren zu können. Die Bewertungsfunktion ermöglicht zusätzlich die Gegenüberstellung derart aufgebauter Systeme, um die betrachteten Fallbeispiele und Demonstrationsszenarien zu vergleichen.
Projektpartner/innen
Projekt-Team
Arnulf Reitze, M.Sc.
Motivation
Die Transformation der deutschen Energieversorgung im Rahmen der Energiewende ist eine hohe technische Herausforderung. Große Mengen an volatilen, erneuerbaren Energien müssen in das Stromnetz integriert werden, um Klimaschutz und Versorgungssicherheit zu gewährleisten. Die Wettbewerbsfähigkeit der Technologien ist dabei ein entscheidender Faktor.
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 Schlüsselstellung hat dabei die sog. Power-to-Gas-Technologie, also die Erzeugung von Methan aus erneuerbaren Wasserstoff. Derzeit ist dies die einzig großtechnisch verfügbare Technologie zur langfristigen Speicherung großer Mengen an Energie.
Ziel
Der Lehrstuhl für Fluidverfahrenstechnik entwickelt innerhalb des Projekts ein robustes, dynamisches Modell der bestehenden Forschungsanlage des Virtuellen Instituts. Dies umfasst eine detaillierte Abbildung des Elektrolyseurs und der Methanisierungsanlage als Hauptkomponenten des Prozesses sowie weiterer peripherer Komponenten. Die Validierung des Modells und der Abgleich der Modellierungsergebnisse findet dabei mit Messdaten der Demoanlage statt. Ziel ist es mit Hilfe des Modells verschiedene Betriebszustände zuverlässig abzubilden und Anlagenmodifikationen untersuchen zu können. Ein weiteres Ziel dieser Arbeiten ist es, die Untersuchungen zum Betriebsverhalten der Demonstrationsanlage mit Hilfe geeigneter Simulationen von An- und Abfahren, Teil- und Volllast und einen Betrieb bei verschiedenen Lastprofilen zu unterstützen.
In einem weiteren Schritt wird ein Gesamtprozessmodell für das Scale-up in einen energiewirtschaftlich relevanten Maßstab entwickelt. Dazu muss das Modell der Demonstrationsanlage um Betriebsmittelkreisläufe erweitert werden, wodurch die Stoff- und Betriebsmittelströme ermittelt werden können. Anschließend werden mit diesem Prozessmodell Optimierungspotentiale der Einzelkomponenten ermittelt und Parameterstudien zum Gesamtwirkungsgrad verschiedener Betriebszustände durchgeführt. Als Gesamtziel dieser Arbeiten ergibt sich die Charakterisierung dynamischer Anlagenzustände im energiewirtschaftlich relevanten Maßstab.
Projektpartner/innen
Gefördert durch
Das Kompetenzzentrum „Virtuelles Institut – Strom zu Gas und Wärme“ (EFRE-0400152) wird gefördert durch das „Operationelle Programm zur Förderung von Investitionen in Wachstum und Beschäftigung für Nordrhein-Westfalen aus dem Europäischen Fonds für regionale Entwicklung“ (OP EFRE NRW) sowie durch das Ministerium für Wirtschaft, Innovation, Digitalisierung und Energie des Landes Nordrhein-Westfalen.
Projekt-Team
Power-to-Gas
Felix Herrmann
Fexibilitätsanalysen
Bastian Bruns
3D Druck
Julia Riese
Faseroptische Temperaturmessung
Julia Riese
Segmentierte Kolonne
Henrik Fasel
Modulare Fallfilmkolonne
Julia Riese
Dynamische Simulation
Bastian Bruns
CFD-Simulationen
Henrik Fasel
2022
Riese, J.; Reitze, A.; Grünewald, M., 2022
Experimental Characterization of 3D Printed Structured Metal Packing with Enclosed Column Wall
Chemie Ingenieur Technik, doi: 10.1002/cite.202200002
Peters, R.; Wegener, N.; Ramsum, R. C.; Schorn, F.; Riese, R.; Grünewald, M.; Stolten, D., 2022
A Techno-Economic Assessment of Fischer-Tropsch Fuels Based on Syngas from Co-Electrolysis
Processes, doi: 10.3390/pr10040699
Herrmann, F.; Grünewald, M.; Meijer, T.; Gardemann, U.; Feierabend, L.; Riese, J., 2022
Operating window and flexibility of a lab-scale methanation plant
Chemical Engineering Science, doi: 10.1016/j.ces.2022.117632
Di Pretoro, A.; Bruns, B.; Negny, S.; Grünewald, M.; Riese, J., 2022
Demand response scheduling using derivative-based dynamic surrogate models
Computers & Chemical Engineering, doi:10.1016/j.compchemeng.2022.107711
2021
Reitze, A.; Grünewald, M.; Riese, J., 2021
Characterization of Liquid Phase Distribution in 3D Printed Structured Packings with an Enclosed Column Wall
Industrial & Engineering Chemistry Research, doi: 10.1021/acs.iecr.1c03931
Industrial & Engineering Chemistry Research, doi: 10.1021/acs.iecr.1c03925
Riese, J.; Fasel, H.; Finkbeiner, M.; Pannok, M.; Lier, S., 2021
Modulare Anlagen zur Herstellung bio-basierter Polymere im Kontext dezentraler Produktionskonzepte
Jahrestreffen der Fachgemeinschaft Prozess-, Apparate- und Anlagentechnik, 22.-23.11.2021
Bruns, B.; Di Pretoro, A.; Grünewald, M.; Riese, J., 2021
Entwicklung eines Frameworks zur Potentialanalyse großvolumiger, kontinuierlicher Prozesse für das Demand-Side Management
Jahrestreffen der Fachgemeinschaft Prozess-, Apparate- und Anlagentechnik, 22.-23.11.2021
Röder, L. S.; Gröngröft, A.; Grünewald, M.; Riese, J., 2021
Systematische Analyse des theoretischen Demand Side Management Potentials in Bioraffinerien
Jahrestreffen der Fachgemeinschaft Prozess-, Apparate- und Anlagentechnik, 22.-23.11.2021
Riese, J., 2021
Indirektes Demand Side Management von kontinuierlichen Prozessen gekoppelt mit der Wasserelektrolyse
Wasserstoff als Chance für das Ruhrgebiet – Wasserstoffforschung an der UAR, Bochum, 08.11.2021
Bruns, B.; Fasel, H.; Grünewald, M.; Riese, J., 2021
Development of a Dynamic Modeling Approach to Simulate a Segmented Distillation Column for Flexible Operation
ChemEngineering, DOI: 10.3390/chemengineering5040066
Herrmann, F.; Meijer, T.; Gardemann, U.; Riese, J., 2021
Dynamics and Flexibility of a Lab-Scale Methanation Plant
13th European Congress of Chemical Engineering and 6th European Congress of Applied Biotechnology (ECCE 13 & ECAB 6), 20. – 23.09.2021
Fasel, H.; Grünewald, M.; Riese, J., 2021
Enhancing flexibility of distillation columns: Experimental characterization of an innovative separation tray
13th European Congress of Chemical Engineering and 6th European Congress of Applied Biotechnology (ECCE 13 & ECAB 6), 20. – 23.09.2021
Bruns, B.; Di Pretoro, A.; Grünewald, M.; Riese, J., 2021
Framework to assess new demand-side management routes in large-scale, continuously operated processes.
13th European Congress of Chemical Engineering and 6th European Congress of Applied Biotechnology (ECCE 13 & ECAB 6), 20. – 23.09.2021
Röder, L. S.; Gröngröft, A.; Grünewald, M.; Riese, J., 2021
Flexibility options for demand side management in biorefineries
13th European Congress of Chemical Engineering and 6th European Congress of Applied Biotechnology (ECCE 13 & ECAB 6), 20. – 23.09.2021
2020
2019
2018
2017
2016
2015
2014
2013