Teilprojekt GM3: Mathematische Optimierung der Betriebsparameter bei chemischer Stoffwandlung in Kolbenmaschinen

Gegenstand des Projektes ist die Herstellung von nützlichen chemischen Grundstoffen wie Synthesegas (Wasserstoff und Kohlenmonoxid) und Olefine aus chemischen Rohstoffen wie Erdgas in einer Kolbenmaschine (Verbrennungsmotor). Die ungeheure Vielzahl möglicher Kombinationen von Anfangsbedingungen (Zusammensetzung des einströmenden Gemisches, Einströmtemperatur und -druck) sowie Randbedingungen (zeitliches Temperatur- und Druckverlauf, Verweilzeit) beim Umsatz in einer Kolbenmaschine erschwert deren detaillierte experimentelle Erfassung über einen weiten Parameterraum. Mit Hilfe auf Elementarreaktionen basierender chemischer Modelle können allerdings die zeitlichen Profile der Konzentration der chemischen Teilchen in der Gasphase bei gegebenen Anfangs- und Randbedingungen numerisch simuliert und damit Umsatz und Produktselektivität vorausgesagt werden. Aufgrund der Vielzahl der Parameter übersteigt jedoch auch die Anzahl nötiger Berechnungen zur Abdeckung alle Kombinationen bei Weitem das simulationstechnisch Machbare.

Ziel des Projektes ist die mathematisch-basierte reaktionstechnische Optimierung der Umwandlung chemischer Energieträger unter motorischen Bedingungen. Stofflich soll sich zunächst mit dem homogenen Aufbau höherer Kohlenwasserstoffe aus niederen beschäftigt werden, beginnend mit der homogenen C-C-Kopplung unter hohen Drücken und Temperaturen bei instationären Bedingungen. Methodisch wird wie folgt vorgegangen: Mechanismen aus Elementarreaktionen werden zur numerischen Simulationen einer Kolbenmaschine mit homogener chemischer Zusammensetzung verwendet. Unter Berücksichtigung der Randbedingungen einer Kolbenmaschine wird durch Kopplung der numerischen Simulation mit einem mathematischen Optimierungswerkzeug die gewünschte Produktausbeute maximiert, bei gleichzeitiger Minimierung von unerwünschten Nebenprodukten und Energieaufwand. Als Kontrollparameter werden die Einströmbedingungen wie Gemischzusammensetzung, Temperatur und Massenfluss und die gekoppelten Randbedingungen wie Druck, Volumen und Temperatur als Funktion der Zeit unter motorischen Bedingungen benutzt. Die Ergebnisse zeigen den interessanten Parameterraum für technische Untersuchungen auf und führen zur Evaluierung des Potentials von Kolbenmaschinen zur Umwandlung chemischer Energieträger.