Die Energiewende kann nur gelingen, wenn der fossile Brennstoffverbrauch signifikant reduziert wird. Rund 40 % des deutschen Wärmeverbrauchs fällt im industriellen Sektor an und 90 % davon werden für Prozesswärme aufgewendet. Hochtemperaturprozesse sind immer mit extremen thermischen Verlusten verbunden, sodass sich in diesem Bereich ein mächtiger Hebel zu Energie-, CO2- und Kosteneinsparungen ergibt. 

Um die Wirksamkeit der Effizienzsteigerung von Hochtemperatur-Industrieprozessen durch Mathematische Modellierung, Simulation und Optimierung (MMSO) zu demonstrieren, wird im Verbundprojekt EHFo der Kammerofenprozess des Anwendungspartners ICL betrachtet, der unter hohem Energiebedarf zur Herstellung von Polyphosphaten eingesetzt wird. Für die Modellierung ist ein komplexes Multiphysik-Modell unter Einbeziehung von Wärmetransport und Strahlung, turbulenter Strömung, chemischen Reaktionen und Phasenübergängen notwendig. Basierend auf diesem Modell wird sowohl die Ofengeometrie mit Methoden der Formoptimierung neu ausgelegt als auch die Positionierung des Gasbrenners optimiert, um damit eine bessere Prozesseffizienz und so eine deutliche Energieeinsparung zu erreichen. Da der Wärmetransport bei hohen Temperaturen maßgeblich über Strahlung stattfindet, erhält die Behandlung von Strahlungsproblemen einen besonderen Stellenwert im Verbundprojekt, was spezielle Herausforderungen sowohl an die Simulations- als auch an die Optimierungsmethoden stellt. Um eine Optimierung des komplexen Gesamtmodells zu ermöglichen, werden auf Modellhierarchien basierende Verfahren wie Space Mapping eingesetzt. Die entwickelten Methoden lassen sich später auf eine Vielzahl ähnlicher Hochtemperaturprozesse, insbesondere aus dem Bereich der chemischen Industrie und der Glasproduktion, übertragen. Durch die Einbeziehung des Projektpartners ICL ist die direkte Verwertung der Ergebnisse sichergestellt.

Teilprojekte

• 05M18UKA | Teilprojekt 1: Modellierung, Numerik, Optimierung & Formoptimierung | Technische Universität Kaiserslautern
• 05M18AMA | Teilprojekt 2: Gesamtsimulation und Demonstrator | Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik (ITWM)