In einem innovativen Schritt zur Förderung nachhaltiger Energiequellen hat das ESC Lab an der Brandenburgischen Technischen Universität Cottbus-Senftenberg bahnbrechende Fortschritte bei der Methansynthese erzielt. Die Reaktoren wandeln grünen Wasserstoff und Kohlendioxid (CO₂) aus Industrieprozessen in synthetisches Methan um, einen kohlenstoffneutralen Energieträger mit hohem Heizwert. Diese Technologie könnte einen erheblichen Beitrag zur Reduzierung von Treibhausgasemissionen leisten.
Die Methansynthesereaktoren arbeiten bei Temperaturen von 300 bis 350 °C und einem Druckbereich von 1 bis 10 bar. Dabei kommen Ni/Al₂O₃-Katalysatoren zum Einsatz. Um die Reaktoren weiter zu optimieren, werden eindimensionale Simulationsmodelle genutzt, deren hohe Rechenzeiten wertvolle Erkenntnisse über den Prozess liefern. Das ESC Lab entwickelt ein Metamodell, das die Einflüsse von Druck und Verdünnung auf die Methansynthese prognostiziert. Dieses Modell soll in Power-to-X-Anwendungen und digitale Zwillinge integriert werden, was die Effizienz der Prozesse erheblich steigern könnte.
Entwicklung eines Metamodells
Für das Training des Metamodells werden Datensätze generiert, die aus 5.000 Simulationen des Reaktormodells stammen. Die dabei variierenden Parameter umfassen Gaseinlasszusammensetzung, Temperatur, Druck, Durchflussrate, Reaktorlänge und Reaktionsfortschritt. Um die Vorhersagemodelle zu entwickeln, setzen die Wissenschaftler ein Polynom 6. Ordnung, ein Feedforward-Neuronales Netz und Gaußsche Prozesse ein. Die Zielsetzung ist klar: Ein schnelles, datengetriebenes Vorhersagemodell zur Optimierung von Power-to-X-Prozessen und digitalen Zwillingen zu schaffen.
Über 220.000 Simulationspunkte wurden für ein robustes Trainingsdatenset erstellt, was eine akkurate Modellierung ermöglicht. Das neuronale Netz liefert die besten Vorhersagen für die Reaktortemperatur über die Reaktorlänge hinweg. Es zeigt außerdem gute Ergebnisse bei der Abbildung des Effekts von Druck und Verdünnung auf den Methangehalt. Hierbei erweisen sich Gaußsche Prozesse als besonders effektiv für die Prognose von Wasserstoff. Wissenschaftler:innen wie Tim Franken, Monang Vadivala, Saurabh Sharma, Tobias Gloesslein und Fabian Mauß sind entscheidend an diesem Forschungsprojekt beteiligt.
Einbindung in Power-to-X-Technologien
Die Anwendung der entwickelten Technologien in der Energiespeicherung und -umwandlung gewinnt zunehmend an Bedeutung. Überschüssige Energie aus Windkraft und Photovoltaikanlagen wird im Rahmen der Sektorkopplung in wertvolle Energieträger umgewandelt. Ein Forscherteam, das im Projekt Power-to-Methanol unter der Leitung der Frankfurter Dechema tätig ist, untersucht die Umwandlung von Wasserstoff und CO₂ in Methanol mithilfe von Biogasanlagen. Diese Methode könnte die Flexibilität im Stromsektor erheblich verbessern.
Das Projekt hat zwei Konzepte für Anlagen zur Herstellung von grünem Methanol aus grünem Strom entwickelt. Dabei wurden technische Entwicklungen und Planungen für reale Anlagenstandorte berücksichtigt. Herausforderungen liegen besonders in den standortspezifischen Randbedingungen, dabei ist die Bereitstellung von grünem Strom oder Wasserstoff von zentraler Bedeutung. Ganz besonders wird die Synthese von grünem Methanol mit grünem CO₂, das bei der Herstellung von Bioethanol entsteht, als vielversprechend erachtet.
In einer positiven Zusammenfassung empfehlen das Projektteam und die Partner, den regulatorischen Rahmen für die Herstellung von grünem Methanol aus Öko-Strom und grünem CO₂ weiterzuentwickeln. Eine Kombination aus Grundlagenforschung, praktischem Anlagenbau und Wirtschaftsanalysen hat sich als essenziell herausgestellt, um die Implementierung dieser innovativen Technologien voranzutreiben.
Die Ergebnisse dieser Forschungsarbeiten wurden kürzlich auf dem 2nd General Meeting der COST Action CYPHER in Krakau im Mai 2025 präsentiert, welches die Möglichkeit bot, die neuesten Fortschritte in der Methansynthese und den damit verbundenen Technologien hervorzuheben. Die zentrale ambitionierte Vision ist klar: die Transformation des Energiesektors durch innovative Power-to-X-Technologien für eine nachhaltige Zukunft. Weitere Informationen dazu finden Sie auf der Webseite der Brandenburgischen Technischen Universität, der PTX Allianz und dem Projekt Power-to-Methanol.
