Revolution in der Methansynthese: Wissenschaftler entwickeln wegweisendes Metamodell!

Zeitz, Deutschland - Ein Forschungsteam der BTU Cottbus-Senftenberg hat im Rahmen des ESC Labs bedeutende Fortschritte in der Optimierung der Methansynthese erzielt. Diese innovative Technologie wandelt grünen Wasserstoff und CO₂, das aus Industrieprozessen gewonnen wird, in synthetisches Methan um. Synthetisches Methan gilt als kohlenstoffneutraler Energieträger mit hohem Heizwert und spielt eine Schlüsselrolle in der Energiewende.

Die Reaktoren, die in der Methansynthese verwendet werden, arbeiten unter hohen Temperaturen von 300–350 °C und Drücken von 1–10 bar, wobei Ni/Al₂O₃-Katalysatoren zum Einsatz kommen. Das Team hat eindimensionale Simulationsmodelle entwickelt, um die Effizienz der Reaktoren zu steigern, wobei über 220.000 Simulationspunkte gesammelt wurden, um ein robustes Trainingsdatenset zu erstellen. Diese Simulationsmodelle bieten wertvolle Einblicke und helfen, die Einflüsse von Druck und Verdünnung auf die Methansynthese besser zu verstehen.

Optimierung durch Metamodelle

Das ESC Lab hat ein Metamodell entwickelt, das die Prognose der Einflüsse von Druck und Verdünnung auf die Syntheseleistung ermöglicht. Die Daten für das Metamodell stammen aus 5.000 Simulationen, die Variablen wie Gaseinlasszusammensetzung, Temperatur, Druck und Durchflussrate berücksichtigen. Wissenschaftler*innen wie Tim Franken und Saurabh Sharma haben dabei verschiedene mathematische Ansätze, darunter ein Polynom 6. Ordnung und neuronale Netze, verwendet. Das neuronale Netz hat sich als besonders leistungsstark erwiesen, wenn es darum geht, die Reaktortemperatur über die Reaktorlänge vorherzusagen, sowie die Effekte von Druck und Verdünnung auf den Methangehalt präzise abzubilden.

Die Ergebnisse dieser Studien wurden kürzlich auf dem 2nd General Meeting von COST Action CYPHER in Krakau präsentiert, wo die potentielle Anwendung der Daten in Power-to-X-Technologien diskutiert wurde. Die Herausforderungen, die im Bereich der Modellperformance bestehen, könnten durch eine höhere Datensatzqualität angegangen werden, was für die Entwicklung digitaler Zwillinge von Bedeutung ist.

Power-to-X-Anwendungen im Energiesektor

Parallel zu diesen Fortschritten in der Methansynthese spielt die Power-to-X-Technologie eine wichtige Rolle im Bereich der Klimaschutzanwendungen. Diese Technologie ermöglicht es, überschüssige Energie aus erneuerbaren Quellen, wie Wind- und Solarenergie, in speicherbare und nutzbare Energieträger umzuwandeln. Im Kontext der Sektorkopplung arbeiten Forschungsprojekte daran, Wasserstoff, der durch Elektrolyse aus überschüssigem Strom gewonnen wird, für verschiedene Anwendungen zu nutzen, beispielsweise in Biogasanlagen zur direkten Methanolproduktion.

Ein Beispiel für eine solche Initiative ist das Projekt Power-to-Methanol, das unter der Leitung der Frankfurter Dechema durchgeführt wird. Hier wird die Umwandlung von Wasserstoff und CO₂ in Methanol untersucht, das sowohl als Ersatz für fossile Kraftstoffe im Transportsektor als auch als flexibler Energiespeicher dient. Standortbedingungen wie der Zugang zu grünem Strom und die Möglichkeit, Koppelprodukte wie CO₂ aus der Biomasse zu nutzen, sind entscheidend für die erfolgreiche Implementierung dieser Technologien.

Das Projektteam hat bereits zwei Konzepte für Anlagen zur Herstellung von grünem Methanol erarbeitet und das Potenzial gesehen, durch die Kombination von Grundlagenforschung, praktischem Anlagenbau und wirtschaftlichen Überlegungen innovativen Fortschritt zu erzielen. Positive Rückmeldungen zu den angestrebten Konzepten ermutigen die Projektpartner, den regulatorischen Rahmen für die Herstellung von grünem Methanol weiterzuentwickeln.