ESC Lab simuliert den Einfluss von Druck und Verdünnung auf die Methansynthese

Methansynthesereaktoren wandeln grünen Wasserstoff und CO₂ aus Industrieprozessen in synthetisches Methan um – einen kohlenstoffneutralen Energieträger mit hohem Heizwert. Die Reaktoren arbeiten bei 300–350 °C und 1–10 bar unter Einsatz von Ni/Al₂O₃-Katalysatoren. Für ihre Optimierung werden eindimensionale Simulationsmodelle verwendet, die komplexe chemische und physikalische Prozesse abbilden. Trotz hoher Rechenzeiten liefern sie wichtige Erkenntnisse. Das ESC Lab entwickelt ein Metamodell zur Prognose der Einflüsse von Druck und Verdünnung, das in Power-to-X-Anwendungen und digitale Zwillinge integriert werden soll.

Für das Training des Metamodells wird ein Datensatz durch 5.000 Simulationen des Reaktormodells erzeugt. Variiert werden unter anderem Gaseinlasszusammensetzung, Temperatur, Druck, Durchflussrate, Reaktorlänge und Reaktionsfortschritt. Zum Training werden ein Polynom 6. Ordnung, ein Feedforward-Neuronales Netz und Gaußsche Prozesse verwendet.

Ziel ist die Entwicklung eines schnellen, datengetriebenen Vorhersagemodells zur Optimierung von Power-to-X-Prozessen und digitalen Zwillingen.

Key Insights:

• Mit über 220.000 Simulationspunkten haben wir ein robustes Trainingsdatenset erstellt.
• Das neuronale Netz liefert die besten Vorhersagen für die Reaktortemperatur über die Reaktorlänge.
• Der Effekt von Druck und Verdünnung auf den Methangehalt bildet das neuronale Netz gut ab.
• Für Wasserstoff liefern die Gaußschen Prozesse die besten Ergebnisse.
• Insgesamt erfassen die Metamodelle die Ausgangsparameter gut, doch es sind Verbesserungen nötig, insbesondere für die Temperaturverteilung im Reaktor. Eine höhere Datensatzqualität könnte die Modellleistung weiter steigern.

Die Arbeit unserer Wissenschaftler*innen Tim Franken, Monang Vadivala, Saurabh Sharma, Tobias Gloesslein, Arnim Brüger and Fabian Mauß unterstützt die Entwicklung nachhaltiger, CO₂-neutraler Energieträger auf Basis von grünem Wasserstoff und CO₂ aus Industrieabgasen.

Letzte Woche präsentierten sie ihre Ergebnisse auf dem 2nd General Meeting von COST Action CYPHER in Krakau, Mai 2025 https://cypher.ulb.be/event/cypher-2nd-general-meeting/