Cyfrowy bliźniak umożliwia zwiększenie wydajności procesów syntezy
Fraunhofer ISENaukowcy z Fraunhofer ISE, pracując nad przekształcaniem odpadowych gazów hutniczych w metanol, sięgnęli po cyfrowe narzędzie, które okazało się przełomowe. Model symulacyjny – cyfrowy bliźniak instalacji – pozwolił zoptymalizować proces i znacząco zwiększyć produkcję.
Gazy z huty jako surowiec chemiczny
Wytapianie stali z koksu i rudy żelaza wiąże się z powstawaniem dużych ilości gazów: koksowniczego, wielkopiecowego i konwertorowego. Hutnictwo odpowiada za około 6% emisji CO₂ w Niemczech. Projekt Carbon2Chem, realizowany przez partnerów z przemysłu i nauki przy wsparciu Federalnego Ministerstwa Badań, Technologii i Przestrzeni Kosmicznej (BMFTR), bada możliwość materiałowego wykorzystania gazów. W centrum projektu znajduje się huta thyssenkrupp Steel Europe w Duisburgu.
W drugiej fazie projektu Fraunhofer ISE wytworzył w miniinstalacji łącznie około 2000 litrów surowego metanolu z oczyszczonych gazów hutniczych, gromadząc dane z ponad 5000 godzin pracy.
Jak działa cyfrowy bliźniak instalacji
Równolegle z pracami eksperymentalnymi instytut opracował platformę symulacyjną działającą jako cyfrowy bliźniak rzeczywistej miniinstalacji. Jej podstawą jest kinetyczny model reakcji chemicznych, połączony ze szczegółowym modelem reaktora i całego procesu. Taki system pozwala obliczać zarówno stacjonarne, jak i dynamiczne warunki pracy instalacji chemicznej, a następnie przeprowadzać optymalizacje techno-ekonomiczne.
Cyfrowy bliźniak został skalibrowany na danych rzeczywistych z instalacji w Duisburgu, co pozwoliło mu wiernie odwzorowywać jej faktyczne zachowanie. Algorytm optymalizacyjny przeszukał przestrzeń parametrów roboczych w poszukiwaniu wariantów zapewniających najwyższą wydajność produkcji.
Zmiany zasugerowane przez model – korekta temperatury wlotowej reaktora, stosunku recyrkulacji i udziału wodoru – przyniosły wymierne efekty. W rzeczywistej instalacji w Duisburgu produkcja metanolu wzrosła o 39% w porównaniu do wcześniejszych parametrów pracy. Optymalizacja wsparta modelem okazała się znacznie efektywniejsza niż czysto eksperymentalne poszukiwanie lepszych punktów pracy.
MOŻE ZAINTERESUJE CIĘ TAKŻE
Platforma dla kolejnych zastosowań
Po zakończeniu prac w projekcie Carbon2Chem zespół Fraunhofer ISE planuje wykorzystanie opracowanej platformy symulacyjnej do budowy cyfrowych bliźniaków dla innych procesów – m.in. produkcji dimetyloeteru i paliw lotniczych (SAF). Narzędzie umożliwia także analizę pracy przy częściowym obciążeniu, skalowanie do wyższych zdolności produkcyjnych oraz modelowanie zmiennych warunków zasilania, co jest szczególnie istotne w procesach Power-to-X opartych na energii odnawialnej.
Źródło: Fraunhofer ISE
