Smarte Batchprozesse im Energiesystem der Zukunft

Mit 11 % des Strombedarfs gehört die Prozessindustrie zu den zentralen Verbrauchern elektrischer Energie in Deutschland. Für das Gelingen der Energiewende ist eine Umstellung der Prozessindustrie auf eine regenerative Stromversorgung daher von entscheidender Bedeutung. Bisher wird der Strombedarf der Prozesse nachfrageorientiert gedeckt. Mit einer variablen regenerativen Stromversorgung müssen die Prozesse zukünftig jedoch flexibel orientiert am Stromangebot gefahren werden können. Für die Auslegung und den Betrieb der flexiblen Prozesse müssen daher grundlegend neue Methoden und Verfahren entwickelt und in der realen Anwendung erprobt werden. Gleichzeitig muss die elektrische Energieversorgung flexibel anpassbar sein, um die Verzahnung von regenerativen Energiequellen mit der angebotsorientierten Prozessführung in Einklang zu bringen. Auch in diesem Bereich müssen neue Konzepte und Technologien ausgearbeitet und untersucht werden. Hierbei müssen Expertisen aus der Chemie, der Bio- und Verfahrenstechnik, der elektrischen Energietechnik, des Produktionsmanagements und der nachhaltigen Kreislaufwirtschaft gezielt zusammengeführt werden. Diesem Forschungsfeld nimmt sich das interdisziplinär zusammengesetzte Projektteam an. Ein besonderer Fokus wird dabei auf Batchprozesse und gleichstrombasierte Versorgungsnetze gelegt. Erstere sind in der Prozessindustrie sowohl im Mittelstand als auch in den Großunternehmen weit verbreitet und tragen damit zum Strombedarf maßgeblich bei. Letztere sind insbesondere für die Verknüpfung strombasierter Produktionsverfahren mit regenerativen Erzeugern und Speichern vorteilhaft.

Die Batchprozesse zeichnen sich dadurch aus, dass im Laufe eines Zyklus verschiedene Aggregate (Rührer, Pumpen, elektrische Heizungen, usw.) an- und abgefahren werden, um unterschiedliche Prozessschritte nacheinander durchzuführen. Aus diesem Grund ist der Bedarf an Strom in diesen Prozessen nicht kontinuierlich, sondern zeitlich stark variabel. Dem gegenüber steht das fluktuierende Angebot an Strom durch regenerative Erzeugung. Die Herausforderung besteht darin, den Betrieb der Batchprozesse an das Stromangebot dynamisch anzupassen und die Prozesse gleichzeitig kostengünstig, nachhaltig und mit hoher Qualität umzusetzen. Um die angebotsorientierte Prozessführung effizient mit der regenerativen Stromerzeugung kombinieren zu können, sind neue Strukturen und Komponenten in den Energienetzen notwendig. Dazu muss die Erzeugung, Speicherung, Verteilung und Nutzung von elektrischen Strom in den Prozessen optimal aufeinander abgestimmt werden. Dies erfordert eine interdisziplinäre Herangehensweise, welche die zugrundeliegende Chemie (biologische und chemische Synthesen), die verfahrenstechnische Ebene (Reaktionstechnik und Aufreinigungsprozesse), die energietechnische Ebene (Netztechnologien und Leistungselektronik), die Prozessleitebene (Energie- und Thermomanagement) und die Prozessmanagementebene in ganzheitlicher Weise verknüpft und welche durch eine Lebenszyklusanalyse transdisziplinär gestützt wird. In Demonstratoren werden batchbasierte Produktionsverfahren und gleichstrombasierte Versorgungsnetze im Labormaßstab aufgebaut und untersucht. Ausgehend von den gewonnenen Erkenntnissen werden generische Methoden und Technologien abgeleitet.

Das Projekt wird durch einen Beirat aus der Industrie begleitet, um die Belange der Anwendungspraxis frühzeitig in die Forschung einzubeziehen und die Ergebnisse unmittelbar in die Anwendung zu spiegeln. Das strategische Forschungsfeld „Ressourceneffizienz und nachhaltige Entwicklung“ der RPTU wird das Projekt tiefgreifend stärken und dadurch einen maßgeblichen Beitrag zur weiteren Profilbildung der Technischen Universität erbringen. Mit dem Projekt wird die Schnittstelle zwischen den Naturwissenschaften, der Verfahrens- und Energietechnik und den Wirtschaftswissenschaften vor dem Hintergrund der Ressourceneffizienz entscheidend gestärkt. In anknüpfenden Forschungsaktivitäten wird das Projektteam in diesem zukunftsorientierten Feld auf diesen Aktivitäten aufbauen, insbesondere auch in Kooperation mit Unternehmen zum Transfer der Technologien in die Anwendung.

Kooperationspartner

Prof. Dr.-Ing. Sergiy Antonyuk,  Mechanische Verfahrenstechnik 
Prof. Dr.-Ing. Daniel Görges,  Elektromobilität 
Prof. Dr.-Ing. Stefan Götz,  Mechatronik und elektrische Antriebssysteme 
Prof. Dr.-Ing. Erik von Harbou,  Reaktions- und Fluidverfahrenstechnik
Prof. Dr. Wolfgang Kleist,  Technische Chemie
Prof. Dr. Steven Liu,  Regelungssysteme
Dr. Kerstin Münnemann, Laboratory of Advanced Spin Engineering (LASE)
Prof. Dr. Florian Sahling,  Produktionsmanagement
Prof. Dr. Katharina Spraul,  Sustainability Management
Prof. Dr. Werner Thiel,  Anorganische Chemie und Katalyse

StatusLaufendes Vorhaben
FördermittelgeberCarl Zeiss-Stiftung
Förderzeitraum01.02.2023 - 31.01.2029
Förderkennzeichen-
Mitarbeiter/-InnenM.Sc. Andrea Schmeckebier

 

Veröffentlichungen und Tagungsbeiträge

Vorträge

  • A. Schmeckebier, A. Zayed, R. Ulber, Influence of different surfaces on Aspergillus niger biofilms, 14th European Congress of Chemical Engineering and 7th European Congress of Applied Biotechnology (2023); Berlin, Deutschland
  • A. Schmeckebier, R. Ulber, Aspergillus niger biofilms for the production of citric acid, Himmelfahrtstagung on Bioprocess Engineering 2024 – Novel Strategies and Technologies for Sustainable Bioprocesses and Bioproducts (2024); Regensburg, Germany