Die Energiewende stellt die Chemieindustrie vor eine große Aufgabe: Bisher konnten Chemieanlagen konstant mit fossilen Energieträgern versorgt werden. Entsprechend wurden sie für einen kontinuierlichen, gleichmäßigen Betrieb ausgelegt. In Zukunft müssen sie in der Lage sein, mit einem schwankenden Angebot an grüner Energie große Mengen zentraler Chemikalien wie Methanol klimafreundlich, effizient und wirtschaftlich zu produzieren. Zahlreiche wissenschaftliche Studien unterstreichen daher einen Bedarf nach mehr Lastflexibilität in chemischen Prozessen. Konkret umgesetzt werden diese Erkenntnisse bisher aber so gut wie nicht.
Das Forschungszentrum Jülich und die Unternehmen NEUMAN & ESSER und TLK Energy tun sich im jetzt gestarteten Förderprojekt HyControl zusammen, um zu zeigen, wie sich der Entwicklungsprozess für zukünftige Chemieanlagen mit dem Einsatz eines sogenannten Hardware-in-the-Loop (HiL)-Teststandes erheblich beschleunigen lässt.
HiL: Ergebnisse schon vor dem Bau der Anlage
„HiL simuliert reale Betriebsbedingungen und liefert so Ergebnisse, bevor die Anlage gebaut ist. Das spart Kosten und Zeit bei der Entwicklung von Steuerungs- und Regelungssystemen für neue, klimafreundliche Chemieanlagen“, erläutert Dr. Matthias Fischer aus dem Bereich Prozess- und Anlagentechnik des Instituts für nachhaltige Wasserstoffwirtschaft (INW-4) am Forschungszentrum Jülich die Stoßrichtung des Projekts: Die in Studien formulierten Erkenntnisse sollen mithilfe von HiL so schnell wie möglich in die Praxis überführt werden. Das INW koordiniert das Projekt, an dem auch das Jülicher Institute of Energy Technologies (IET) mit seinem Institutsbereich Elektrochemische Verfahrenstechnik (IET-4) beteiligt ist.
Das Ministerium für Wirtschaft, Industrie, Klimaschutz und Energie des Landes Nordrhein-Westfalen, kofinanziert von der Europäischen Union, fördert HyControl über eine Laufzeit von drei Jahren mit insgesamt 1,96 Millionen Euro im Rahmen des Innovationswettbewerbs Energie.IN.NRW.
Im Automobil- oder Flugzeugbau längst etabliert
HiL-Technologien sind beispielsweise im Automobil- oder Flugzeugbau längst etabliert. Bei der Entwicklung von Autopiloten für Flugzeuge integrieren die Entwickler die Hardware des Autopiloten, also das reale Steuergerät, in ein Computersystem. Dieses simuliert den Flug, indem es den entsprechenden Datenoutput an den Autopiloten abgibt. Das gibt den Entwicklern die Möglichkeit, in Echtzeit zu simulieren, wie der Autopilot auf verschiedene Flugbedingungen reagiert, ohne ein reales Flugzeug fliegen zu müssen.
Diese Stärke der HiL-Technologie möchte das HyControl-Konsortium auf chemische Prozesse übertragen. Ziel ist, Steuerungs- und Regelungsstrategien für zukünftige Chemieanlagen so schnell und günstig wie möglich an das schwankende Angebot grüner Energie anzupassen.
„HiL wurde in der Verfahrenstechnik kaum genutzt – es fehlten sowohl der dringende Bedarf als auch robuste dynamische Modelle. Mit der Energiewende entsteht dieser Bedarf, und in HyControl entwickeln wir die dafür notwendigen Modelle“, betont Dr. Manuel Gräber von der TLK Energy. Das Unternehmen, ein Ingenieursdienstleister und Entwickler von Simulationssoftware, entwickelt im Zuge von HyControl ein Software-Paket, das die Simulationen für HiL-Systeme ermöglicht.
Lastflexibel und lokal
Wichtig sei eine lastflexible Regelung für Chemieanlagen ebenfalls, weil in Zukunft auch zunehmend kleinere dezentrale Anlagen aufgebaut werden, die direkt an lokale erneuerbare Erzeuger wie Wind- oder Solarparks gekoppelt werden. Diese Anlagen sind im Vergleich zu heutigen, fossil betriebenen Großanlagen deutlich stärkeren Energieschwankungen ausgesetzt. „Dezentrale Produktionsanlagen werden im Energiesystem der Zukunft eine wesentlich größere Rolle spielen. Unser 5-MW-Elektrolyseur in Container-Bauweise erfüllt diese Aufgabe. Wir sehen großes Potenzial in einer weiterentwickelten Steuerungstechnik, die die Lastflexibilität unserer modularen Anlage steigert“, sagt Dr. David Jasper von NEUMAN & ESSER. Der Anbieter von Wasserstoff-Komplettlösungen wird das Modell des Elektrolyseurs sowie das integrierte Automatisierungs- und Monitoringsystem von HyControl liefern.
Das IET-4 des Forschungszentrums Jülich arbeitet im Projekt an der Entwicklung lastflexibler Regelungskonzepte für Elektrolyseure, die mithilfe von grünem Strom grünen Wasserstoff erzeugen – einem zentralen Ausgangsstoff für grünes Methanol. „In der Materialforschung für die Elektrolyseprozesse wurden in der Vergangenheit große Fortschritte erzielt. Zusätzlich dazu sollen zukünftige Elektrolyseure Schwankungen im Energieangebot zunehmend besser folgen können. Daher benötigen wir intelligente Betriebsführungskonzepte sowie Steuerungseinheiten, die ein autonomes Reagieren auf die Dynamik erneuerbarer Energien ermöglichen“, sagt Prof. Ralf Peters vom IET-4.
Das große Ziel: die Methanolsynthese
Auf den lastflexiblen Elektrolyseur aufbauend zeigt das INW-4 mithilfe von Simulationen, wie eine grüne Methanolsynthese direkt an die Elektrolyse gekoppelt werden kann. Das erhöht die Anforderungen an die Regelungs- und Automatisierungstechnik erheblich. Grünes Methanol benötigt zwei Prozesse, die in Zukunft in der Lage sein müssen, die Schwankungen grüner Energie nachzufahren: die Elektrolyse zur Herstellung von Wasserstoff und die Methanolsynthese, bei der Wasserstoff mit Kohlenstoffdioxid zu Methanol reagiert. „Hier brauchen wir eine komplexe Regelungs- und Automatisierungstechnik, die wir entwickeln und zeigen wollen“, erklärt Dr. Urs Christen vom INW-4.
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