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Professur Wissenschaftliches Rechnen
P2Chem

P2Chem: Neue gemischt-ganzzahlige Optimierungsmethoden zur effizienten Synthese und flexiblen Führung von Power-to-Chemicals Prozessen

Im Rahmen der Energiewende in der Bundesrepublik Deutschland steigt der Anteil erneuerbarer Energien im Versorgungssystem stetig an. Dieses impliziert Herausforderungen und Chancen, insbesondere im Umgang mit Überhängen in der Stromproduktion. Im Rahmen des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Projekts P2Chem werden Power-to-Chemicals Prozesse, die Strom zur Herstellung von hochwertigen Chemikalien nutzen, betrachtet. P2Chem ist Teil des Programms zur Förderung von Forschung auf dem Gebiet Mathematik für Innovationen.

Die wissenschaftlichen Projektpartner sind dabei mit den industriellen Partnern AVACON und BASF.

Fragestellung

P2Chem Prozesse können grundsätzlich verschiedenste Komponenten wie katalytische Reaktoren oder Elektrolysezellen eingesetzt und miteinander kombiniert werden. Als Zielprodukt betrachten wir in diesem Projekt Synthesegas (SG). In P2Chem befassen wir uns mit der mathematischen Analyse dieser Prozesse und den treibenden Fragestellungen unserer Industriepartner, der Avacon AG als großem deutschen Energieversorger und der BASF SE als weltgrößtem Chemieunternehmen. Ziel des Verbundprojektes ist es, neue mathematische Modelle und Verfahren für die resultierenden Klassen von unsicheren, nichtlinearen, dynamischen, räumlich verteilten, gemischt-ganzzahligen Optimierungs- und Optimalsteuerungsproblemen zu entwickeln, mit denen die oben genannten Fragen beantwortet werden können. Als besondere Herausforderung sehen wir hierbei die kombinatorische Vielfalt an möglichen Verschaltungen einzelner Komponenten, deren transiente Dynamiken durch gewöhnliche und/oder partielle Differentialgleichungen beschrieben werden. Wir möchten neue Methoden zur deterministischen Lösung von gemischt-ganzzahligen nichtlinearen Optimierungsproblemen (MINLP) entwickeln, die besonders auf die angesprochene Problemklasse zugeschnitten sind. Dieses impliziert unter anderem:
  • AG Sundmacher: Modellierung der Superstruktur der untersuchten P2Chem Prozesse, Modellierung der einzelnen Komponenten (Reaktoren, Elektrolysezellen etc.),
  • AG Sager: Modellierung der Zielfunktion und aller Nebenbedingungen, neue maßgeschneiderte Branch-and-Bound Verfahren,
  • AG Benner: neue maßgeschneiderte Verfahren der adaptiven Modellreduktion,
  • AG Stoll: neue Methoden zur effizienten Lösung durch partielle Differentialgleichungen (PDE) beschränkter Optimierungsprobleme mit Zustands- und Kontrollschranken.

Relevante Publikationen

Wissenschaftler

Projektinformationen

  • Projekttreffen April 2017
  • Projekttreffen September 2017
  • Projektworkshop mit Industriepartnern Februar 2019