Systemanalyse
Die Systemanalyse bietet einen strukturierten methodischen Rahmen zur Bewertung und Optimierung komplexer verfahrenstechnischer Industrieprozesse, insbesondere unter Berücksichtigung der Wechselwirkungen zwischen mehreren Prozesseinheiten, deren betrieblicher Dynamik und übergeordneter regionaler und geografischer Kontexte.
Die Analyse von Komponenteninteraktionen konzentriert sich dabei auf die Material- und Energieintegration zwischen Reaktoren, Wärmetauschern, Trenneinheiten und Hilfsmedien, um eine optimale Abstimmung aller involvierten Komponenten und somit die Effizienz und Stabilität des Gesamtsystems sicherzustellen. Die Analyse des dynamischen Betriebs erweitert diese Perspektive, indem sie instationäre Bedingungen wie Lastschwankungen, die Fluktuation erneuerbarer Energie- und Rohstoffzuflüsse oder An- und Abfahrprozesse modelliert und dafür Werkzeuge wie dynamische Simulationen und Prozessregelungsmodelle (Regelkreise, Modellprädiktive Ansätze, etc.) einsetzt, um Systemreaktionen vorherzusagen und gezielt zu beeinflussen.
Außerdem sind techno-ökonomische Bewertungen entscheidend, um die Kosteneffizienz und Wettbewerbsfähigkeit der untersuchten Prozesse und Systeme (Investitionsaufwand, Betriebskosten, Produktionskosten) unter verschiedenen ökonomischen Szenarien zu prüfen. Weiterführende Analysen basierend auf Geoinformationssystemen (GIS) erweitern die technischen und ökonomischen Systembewertungen, indem sie regionale Faktoren (z. B. Rohstoffverfügbarkeit, Energieinfrastruktur, Transportnetze, etc.) berücksichtigen und so standortspezifische Optimierungen und Machbarkeitsstudien ermöglichen. Durch die Kombination aller beschriebenen methodischen Bausteine erlaubt die Systemanalyse robuste, entscheidungsorientierte Bewertungen auf Komponenten-, Anlagen- und Systemebene bis hin zu regionalen und nationalen Assessments.
Techno-ökonomische Bewertungen von Power-to-Methanol Prozessen
Methanol ist ein zentraler Grundstoff der chemischen Industrie. Er dient sowohl als Ausgangsbasis für eine Vielzahl von Folgeprodukten als auch – aufgrund seiner hohen spezifischen Energiedichte – als chemischer Energiespeicher. Für die Transformation der Branche spielen nachhaltige, flexible und kosteneffiziente Produktionspfade eine entscheidende Rolle. Prozesssimulationen ermöglichen es dabei, das Verhalten von Prozessen unter unterschiedlichen, schwankenden Produktionsszenarien vorherzusagen und deren betriebswirtschaftliche Leistungsfähigkeit zu bewerten.
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Standortanalysen für Energiespeicherung basierend auf geologischer Speicherung von CO₂
Das CEEGS-Konzept (CO₂-based Electrothermal Energy and Geological Storage) ermöglicht die Speicherung erneuerbarer Energie durch die Kopplung eines reversiblen CO₂-Wärmepumpenkreislaufs mit geologischen Untergrundspeichern wie beispielsweise Salzkavernen oder Aquiferen. Im Ladezyklus wird erneuerbare Elektrizität genutzt, um CO₂ zu komprimieren und die entstehende Wärme zu speichern; im Entladezyklus wird diese Wärme wieder in Strom umgewandelt. Da das System starke tägliche und saisonale Produktionsschwankungen ausgleichen muss, wird das CEEGS-Konzept mithilfe multikriterieller Entscheidungsanalysen (MCDA) hinsichtlich seines Potenzials in regionalen und nationalen Energiesystemen Europas bewertet.
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Dynamische Modellierung und Regelung von superkritischen CO₂-Kraftwerksprozessen
Die Energieversorgung wandelt sich von fossilen Brennstoffen hin zu erneuerbaren, deren Verfügbarkeit zeitlich begrenzt und variabel ist. Dafür sind Speichertechnologien und flexible Umwandlungsprozesse notwendig. Überkritische CO₂ (sCO₂)-Kraftwerksprozesse bieten hier Vorteile: Sie sind kompakt, effizient und können mit jeder Wärmequelle oberhalb der kritischen Temperatur von 31 °C betrieben werden, einschließlich gespeicherter Energie. Ziel ist ein Betrieb nach Strombedarf mit schnellen Start- und Abschaltvorgängen sowie effizientem Verhalten in Off-Designfällen. Zu diesem Zweck wird in MATLAB Simulink ein dynamisches Modell eines sCO₂-Joule-Kreisprozesses mit drei Wärmetauschern, Turbine und Kompressor entwickelt und mithilfe der institutseigenen Anlage CARBOSOLA validiert.
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