Modellierung der Eisen-Oxidation und Reduktion
Skalenreduzierte Modellierung für Reduktion und Oxidation von Eisen(oxid) unter Berücksichtigung heterogener Kinetik und komplexer Mischprozesse
Hintergrund:
Im Forschungsvorhaben Clean Circles sollen Eisen und seine Oxide in einem Kreislauf als kohlenstofffreier chemischer Energieträger für erneuerbare Energie genutzt werden. Erneuerbare Energie wird genutzt, um Eisenoxide über einen thermochemischen oder elektrochemischen Prozess zu reduzieren (Speicherung, Reduktion). Örtlich und zeitlich getrennt davon kann elementares Eisen oxidiert werden, um thermische Energie zur Stromerzeugung freizusetzen (Freisetzung, Oxidation). Auf diese Weise kann erneuerbare Energie in großen Mengen gespeichert, transportiert und CO2-frei zur Verfügung gestellt werden.
Für die Entwicklung des Gesamtmodells im Rahmen von Clean Circles müssen skalen- und komplexitätsreduzierte Modelle zur Beschreibung der Oxidation und Reduktion von Eisen(-oxid) entwickelt werden. Ein geeigneter Ansatz ist die Reaktornetzwerkmodellierung (Chemical Reactor Network modeling, kurz: CRN), wobei technische Systeme (Reaktoren) in funktionale Makrozonen (Kompartments) mit repräsentativen Konzentrationen und Temperaturen unterteilt werden. Die einzelnen Zonen werden mithilfe von idealen Reaktormodellen (Rührkessel, Strömungsrohr) repräsentiert, deren Kombination in einem Netzwerk u.A. das Verweilzeit- oder Umsatzverhalten des realen Reaktors annähern. Zur geeigneten Kompartmenteinteilung werden Temperatur- und Strömungsprofile aus Experiment und Simulation genutzt (siehe Abbildung). Weiterhin ermöglichen experimentelle Daten globaler Verweilzeitverteilungen die Kalibrierung der Reaktornetzwerke an den technischen Reaktor.
Somit vereinfacht die Reaktornetzwerkmodellierung die Fluiddynamik im Vergleich zu CFD-Simulationen stark und ermöglicht dadurch eine detaillierte Beschreibung der Thermochemie des Systems bei gleichzeitig deutlich geringerem Rechenaufwand.
Ziel:
Um die Reaktornetzwerkmodellierung für die Oxidation und Reduktion von Eisen(oxiden) nutzen zu können, müssen die einphasigen Modelle erweitert, kalibriert und auf geeignete Testfälle angewandt werden. Die Beschreibung heterogener Reaktionen zwischen Feststoffpartikel und der Gasphase erfolgt hierbei mithilfe mehrphasiger Reaktormodelle. Weiterhin sollen Heizrateneffekte, sowie der Transport von Partikeln über die Kompartmentgrenzen hinweg berücksichtigt werden. Mit einem geeigneten Reaktornetzwerk ergibt sich somit die Möglichkeit einer detaillierten Analyse der Sensitivitäten und Gültigkeitsbereiche entscheidender Parameter, deren Konsolidierung im Gesamtmodell erfolgt. Durch die im Projekt geplanten Erweiterungen und die zur Verfügung stehenden Daten kann die Reaktornetzwerkmodellierung zukünftig im technischen Maßstab Anwendung finden.
Verantwortliche Person: Sören Dübal