Nachhaltige Energieverfahrenstechnik

In dem vom Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) geförderten Projekt Aix-Net-WWR erschließt das FiW gemeinsam mit Partnern aus Forschung und Industrie Abwasserströme zur thermischen Nutzung. Das Konzept nutzt Wärmepumpen, um aus Abwasserströmen als zuverlässige Niedertemperaturquelle energieeffiziente Wärmeversorgungssysteme zu etablieren. 

Die Kopplung erneuerbarer Energieerzeugung mit elektrochemischen Verfahren eröffnet zusätzliche Potenziale. Elektrolyseure, die erneuerbaren Überschussstrom nutzen, erzeugen Wasserstoff (als chemischer Energiespeicher oder zur Weiterverarbeitung) und Sauerstoff. Letzterer kann direkt in Abwasserprozessen, wie der Ozonierung zur Spurenstoffelimination, eingesetzt werden. Der elektrolytisch erzeugte Wasserstoff kann perspektivisch mit einer biogenen Kohlenstoffquelle (z. B. aus Bio- oder Klärgas) über die GREEN-BEE-Pilotanlage zu Methanol umgewandelt und als Grundchemikalie oder E-Fuel eingesetzt werden.

In den Forschungsprojekten E-BO₂t und E-MetO entwickeln wir modellbasiert Konzepte für die Integration dieser Speicher- und Umwandlungstechnologien. Das FiW begleitet dabei die Verfahrenstechnik in enger Kooperation mit Industriepartnern von der Grundlagenermittlung übe die Auslegung der Verfahrenstechnik bis zur praktischen Umsetzung. 

Zur Bewältigung dieser vielschichtigen Herausforderungen ist der Einsatz digitaler Werkzeuge unverzichtbar. Diese Tools ermöglichen die präzise Analyse und Optimierung komplexer Prozess- und Energieströme und bilden die Grundlage für eine vorausschauende Betriebsführung.

Die Unterstützung des FiW für den Kläranlagenbetrieb erfolgt dabei in mehreren Stufen.

• Kurz- und Mittelfristige Maßnahmen: Aus Energiebenchmarking und dynamisierten Energieanalysen leiten wir schnelle Maßnahmen und Handlungsempfehlungen für den Betrieb ab.
• Komplexe Strategieentwicklung: Für anspruchsvollere Optimierungen setzen wir Simulations-Werkzeuge ein. Dazu zählen unter anderem spezialisierte Softwareumgebungen wie SIMBA#, STANET, Python, Matlab-Simulink oder MIKE.

Mit den Simulationsmodellen analysieren wir dynamische Lastgänge, Speicherbedarfe und Flexibilitätspotenziale. Damit können fundierte Entscheidungen über optimierte Nutzung, Speicherung oder Zurverfügungstellung als erneuerbare Energie in anderen Sektoren getroffen werden. Neben der Effizienz ist die Optimierung an ökonomischen Kriterien wie Kostenoptimierung und Lastmanagement ausgerichtet.

Diese Methodik wird vom FiW seit 2024 in Projekt-Kooperationen u.a. mit dem WVER, den Stadtentwässerungsbetrieben Köln, der Stadt Wegberg, der LINEG und der Airbus Operations GmbH angewendet. In diesen Projekten wurde die energetische Optimierung von Klär- und Industrieanagen und die Entwicklung langfristiger Zukunftsstrategien erfolgreich durchgeführt.