Autonome Regelung einer Prozesskette zur CO2-Mineralisation unter Verwendung von alkalihaltigen Abfallstoffen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Naim Bajcinca; Dr.-Ing. Marco Gleiß; Professor Dr.-Ing. Kai Sundmacher
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Verfahrenstechnik ; Automatisierungstechnik, Mechatronik, Regelungssysteme, Intelligente Technische Systeme, Robotik
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 504852622

Die Vermeidung eines fatalen Klimawandels erfordert eine rigorose Verringerung der Treibhausgasemissionen und die Entfernung des bereits freigesetzten CO2 aus der Atmosphäre in Verbindung mit einer dauerhaften CO2-Speicherung. Durch Reaktion mit Mineralstoffen lässt sich CO2 in Karbonate überführen, die umweltfreundlich und stabil sind und die CO2-Mineralisation zu einer dauerhaften und leckagefreien CO2-Speichermethode machen. Es gibt zahlreiche Ca- und Mg-haltige Industrieabfälle, die sich als Ausgangsmaterialien für die CO2-Karbonisierung eignen, u.a. Abfallzement (1 Gt/a), Flugasche aus der Kohleverbrennung (600 Mt/a) sowie Schlacke aus der Stahlerzeugung (400 Mt/a). Aufgrund stark unterschiedlicher Rohstoffqualitäten (Zusammensetzung, Partikelgrößen) der mineralischen Abfallstoffe ist eine Wissenslücke in Bezug auf den optimalen Prozessbetrieb für eine effiziente CO2-Mineralisation unter Gewinnung von hochreinen Zielprodukten (CaCO3, MgCO3), die in anderen Industriezweigen (u.a. Papierindustrie) nutzbar sind, vorhanden. Das vorliegende Projekt adressiert diese Fragestellung durch die Erforschung der Grundlagen für die Entwicklung einer autonomen Regelung für die gesamte Prozesskette der CO2-Mineralisation bestehend aus (1) Mineral-Extraktion, (2) Filtration, (3) selektiver Karbonat-Fällung und (4) zentrifugaler Separation. Das Projekt beruht auf einer engen Zusammenarbeit zwischen dem Institut für Mechanische Verfahrenstechnik und Mechanik (KIT, Dr. Marco Gleiß), dem Institut für Verfahrenstechnik (OVGU, Prof. Dr. Kai Sundmacher) und dem Lehrstuhl für Mechatronik im Maschinenbau und Fahrzeugtechnik (RPTU, Prof. Dr. Naim Bajcinca). Die zu erforschende autonome Regelung soll selbstlernende Eigenschaften besitzen und damit in der Lage sein, zeitabhängige äußere Veränderungen (insbesondere der Rohstoffqualität) auf Basis der beobachtbaren Zustandsgrößen zu erkennen, die Prozesskette ohne menschlichen Eingriff in einen neuen Zustand maximaler Produktivität zu steuern und dabei gleichzeitig die gewünschten Spezifikationen (Partikelgrößen, Reinheit) der Karbonat-Produkte einzuhalten. In der 2. Förderperiode befasst sich das KIT mit der kontinuierlichen, autonomen Mineral-Extraktion und deren hybrider Modellierung zur Vorhersage kinetischer Parameter. Die OVGU untersucht einen periodisch betriebenen Semi-Batch-Reaktor zur selektiven Fällung von Karbonaten durch optimale Steuerung von CO2-Dosierung und pH-Wert, um definierte Partikelgrößenverteilungen bei höchster Produktreinheit zu erzielen. Die RPTU entwickelt das modellgestützte Regelungskonzept für den Gesamtprozess auf Basis einer hierarchischen Architektur mit dem Ziel, eine schnelle Adaption der Prozessbedingungen an sich dynamisch verändernde Rohstoffqualitäten zu gewährleisten. Gegen Ende der 2. Förderperiode werden die vier Prozessschritte im Labormaßstab zu einer Prozesskette miteinander verbunden, um das autonome Regelungskonzept für reale Abfallstoffe experimentell zu bewerten.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2364: Autonome Prozesse in der Partikeltechnik - Erforschung und Erprobung von Konzepten zur modellbasierten Führung partikeltechnischer Prozesse
• Mitverantwortlich: Dr. Mohammad Al Khatib