Virtuhcon - Virtual High Temperature Conversion - Freiberg

Das Zentrum für Innovationskompetenz

Das Zentrum für Innovationskompetenz (ZIK) Virtuhcon (Virtual High Temperature Conversion, virtuelle Hochtemperatur-Konversionsprozesse) ist ein transdisziplinäres Innovationszentrum zur Entwicklung neuer Technologieansätze für ressourcen- und energieschonende Hochtemperatur-Konversionsprozesse. Beispiele für solche Prozesse sind das Reduzieren bzw. das Rösten von Erzen zur Gewinnung von Rohmetallen wie Eisen, Kupfer oder Zink, die Partialoxidation von Erdöl oder Erdgas (für Primärchemikalien zur Herstellung von Kunststoffen und anderen Produkten), das Brennen von Kalk oder die Umwandlung von Kohle oder Biomasse in Flüssigkraftstoffe. Die Hochtemperatur-Konversionsprozesse stehen aufgrund ihrer hohen Energieintensität im Spannungsfeld zwischen den Bedürfnissen der Industriegesellschaften und den dringenden Anforderungen der nachhaltigen Entwicklung und des Klimaschutzes.

Das ZIK Virtuhcon hat sich zum Ziel gesetzt, neue Hochtemperatur-Konversionstechnologien mit verringertem CO2-Ausstoß und niedrigerem Energiebedarf zu entwickeln, verfahrenstechnisch zu modellieren, virtuell zu erproben und gezielt zu optimieren. Die Prozessvirtualisierung ermöglicht dabei eine zeit- und kosteneffiziente Optimierung der Hochtemperatur-Konversionsprozesse und führt zu neuen Lösungsansätzen, ohne dass aufwendige Versuchsanlagen errichtet werden müssen.

Mit der Einrichtung des ZIK Virtuhcon wurde im Freistaat Sachsen ein zukunftsweisender Innovationskern mit enormen Strukturentwicklungs- und Wertschöpfungspotenzialen, insbesondere für die regionale Energiewirtschaft, die chemische und metallverarbeitende Industrie sowie den Anlagenbau geschaffen.

Die Ziele

Hochtemperatur-Stoffwandlungsprozesse stehen am Anfang von industriellen Prozessketten, bei denen zahlreiche Produkte des täglichen Lebens, wie Kraftstoffe, Kunststoffe, metallische Werkstoffe oder elektrische Energie entstehen. Gegenwärtig sind Hochtemperatur-Konversionsanlagen oft nicht ausreichend energieeffizient: Es muss eine vergleichsweise große Menge Energie eingesetzt werden, um einen neuen Grund- oder Werkstoff zu gewinnen. Gleichzeitig sind die Kohlendioxid-Emissionen hoch. Virtuhcon hat es sich zur Aufgabe gemacht, auf virtuellem Weg – und dadurch mit stark verkürzter Entwicklungszeit – effizientere und „kohlendioxidarme“ Umwandlungsprozesse zu entwickeln. Die Erkenntnisse haben eine zentrale Bedeutung in Zeiten von Rohstoffverknappung und Klimaschutz und erhöhen die Nachhaltigkeit in der Stoff- und Energiebereitstellung. In der zweiten Förderphase werden drei neue Forschungsgruppen die Kompetenz des Zentrums um neue Technologiefelder aus der Nichteisenmetallurgie sowie aus der Chemie- und Grundstoffindustrie erweitern.

Die thematischen Schwerpunkte

Nachwuchsforschergruppe „Stoff- und Prozessanalyse“

Die Forschung der vorwiegend experimentell arbeitenden Nachwuchsforschergruppe „Stoff- und Prozessanalyse“ soll das bestehende Grundlagenverständnis der Hochtemperatur-Konversionsprozesse der Kohlenstoffchemie auf metallurgische und auf chemische Prozesse bei hohen Feststoffbeladungen erweitern. Dies beinhaltet die Bereitstellung von Stoffdaten und Reaktionskinetiken für dichtbeladene Systeme bei hohen Drücken und Temperaturen und ermöglicht erst die numerische Berechnung und Simulation solcher Systeme. Ein weiteres Arbeitsgebiet stellt die experimentelle Gewinnung von Stoff- und Prozessdaten für die im Rahmen des Forschungsvorhabens zu untersuchenden Hochtemperaturprozesse dar, wobei der Schwerpunkt auf der Anwendung unterschiedlicher In-situ-Messtechniken liegt. Daraus folgt ein vertieftes Prozessverständnis, welches, im Zusammenspiel mit den Rechenmodellen der beiden anderen Nachwuchsforschergruppen, die Optimierung und Neuentwicklung entsprechender Prozesse ermöglicht. Die erzeugten prozessnahen Validierungsdaten erlauben die Absicherung der Rechenmodelle und stellen die Übertragbarkeit der Modelle und Ergebnisse auf industrielle Maßstäbe sicher.

Nachwuchsgruppe „Mehrphasenmodelle“

Die Nachwuchsgruppe „Mehrphasenmodelle“ wird mithilfe der numerischen Simulation Detailuntersuchungen der Prozesse, die dem Experiment nicht bzw. nur schwer zugängig sind, durchführen und darauf aufbauend fortschrittlichste Teilmodelle zur Beschreibung einzelner Konversionsprozesse ableiten. Hier kann die Nachwuchsgruppe „Mehrphasenmodelle“ die in den letzten Jahren erarbeiten Detailmodelle aufgreifen und sie für metallurgische Systeme und für dichtbesetzte Kohlenstoffsysteme erweitern. Basierend auf diesen fortschrittlichen Teilmodellen werden hochauflösende Rechenmodelle zur ganzheitlichen Abbildung der Prozesse erstellt. Die Qualität und Auflösung dieser Rechnungen stellt für die einzelnen Prozesse Referenz- bzw. numerische Validierungsdaten bereit und ermöglicht das Detektieren von Optimierungspotenzialen.

Nachwuchsforschergruppe „ProVirt“

Die ESF-geförderte Nachwuchsforschergruppe „ProVirt“ greift die hochauflösenden Rechenmodelle der Nachwuchsgruppe „Mehrphasenmodelle“ auf und leitet daraus vereinfachte, schnelle Rechenmodelle für unterschiedliche Prozesse der Metallurgie und Chemie ab. Die Validierung dieser vereinfachten Modelle erfolgt sowohl an den hochauflösenden Rechenergebnissen der Nachwuchsgruppe „Mehrphasenmodelle“ als auch an den Validierungsdaten der Nachwuchsgruppe „Stoff- und Prozessanalyse“. Basierend auf diesen vereinfachten und validierten Rechenmodellen wird die Nachwuchsgruppe „ProVirt“ zukünftig bestehende Prozesse gezielt optimieren und neue technologische Ansätze entwickeln. Zusätzlich unterstützt „ProVirt“ die Nachwuchsgruppe „Stoff- und Prozessanalyse“ bei der Auswertung unterschiedlicher Hochtemperatur-Versuche, indem Modellunsicherheiten detektiert und physikbasierte Auswerte- und Analysewerkzeuge entwickelt werden.

Zur Verstetigung des ZIK Virtuhcon wurden die aus der ersten Förderphase bestehenden Arbeitsgruppen in die TU Bergakademie Freiberg integriert und darüber hinaus die DBI-Virtuhcon GmbH ausgegründet. Diese hat das Ziel, Dienstleistungen, Beratungen und Entwicklungen für die nachhaltige Stoff- und Energiewirtschaft anzubieten. Daraus ergeben sich interessante und langfristige Karriereperspektiven und gleichzeitig erhöht sich die Attraktivität für internationale Spitzenwissenschaftler. Hiervon profitiert insbesondere der Anlagenbau in Deutschland.

Die Partner

Eingebundene Institute der TU Bergakademie Freiberg:

  • Institut für Energieverfahrenstechnik und Chemieingenieurwesen
  • Institut für Nichteisen-Metallurgie und Reinststoffe
  • Institut für Wärmetechnik und Thermodynamik
  • Institut für Eisen- und Stahltechnologie
  • Institut Werkstoffwissenschaft
  • Institut für Informatik
  • Institut für Numerische Mathematik und Optimierung
  • Institut für Mechanik und Fluiddynamik

Wissenschaftspartner:

  • University of Alberta, Kanada
  • Technische Universität Dresden, Deutschland
  • Forschungszentrum Jülich, Deutschland
  • Technische Universität Eindhoven, Niederlande
  • Helmholtz-Zentrum Dresden - Rossendorf, Deutschland
  • East China University of Science and Technology, China

Wirtschaftspartner:

  • Siemens VAI, Österreich
  • BASF, Deutschland
  • GTT Technologies, Deutschland
  • Siemens, Deutschland
  • ITA – Instituto Tecnológico de Aeronáutica, Brasilien
  • Techo Tampa Electric Company, USA
  • RWE, Deutschland
  • ThyssenKrupp, Deutschland
  • LITE – Louisiana Immersive Technologies Enterprise, USA
  • Sasol, Südafrika
  • Outotec, Deutschland
  • Primetals Technologies Austria GmbH, Österreich
  • ThyssenKrupp Steel Europe AG, Deutschland
  • Synfuels China Technology Co. Ltd., China
  • RWE Power AG, Deutschland
  • Air Liquide Global E&C Solutions Germany GmbH, Deutschland

 

Kontakt

Prof. Dr.-Ing. Bernd Meyer
TU Bergakademie Freiberg
Sprecher des Vorstands
ZIK Virtuhcon
Reiche Zeche
Fuchsmühlenweg 9, Haus 1
09596 Freiberg
Tel.: (03731) 394510
E-Mail: bmeyer[at]iec.tu-freiberg.de
http://www.virtuhcon.de/

Zum Beitrag "Modellieren statt probieren" aus der Rubrik "Im Blickpunkt"