Integration von Design und Betrieb unter Berücksichtigung von parametrischer Unsicherheit und dynamischer Variabilität für die optimale Auslegung lastflexibler Prozesse auf Basis eines simultanen Lösungsansatzes

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Jens-Uwe Repke
• Fachliche Zuordnung: Chemische und Thermische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 522865376

Konventionell werden Prozesse erst stationär ausgelegt. Anschließend erfolgt dann die Festlegung des Prozessführungskonzepts bzw. das Reglerdesign. Dabei wird jedoch nicht berücksichtigt, dass Design und Betrieb voneinander abhängen. Ein unter stationären Betriebsbedingungen kann somit ein Kostenminimum unter nominalen Bedingungen aufweisen, ist jedoch unter dynamischen Variabilität der Eingangsgrößen nicht mehr betreibbar, es werden Produktspezifikationen oder andere Randbedingungen während des Betriebs verletzt oder es sind starke Stelleingriffe nötig. Hinzu kommen weitere Herausforderungen wie Unsicherheit von Modellparametern sowie binäre Entscheidungsvariablen für die Prozesstopologie. Im Projekt wird ein simultaner Ansatz vorgeschlagen, welcher das Design und den Betrieb in einem Optimierungsproblem kombiniert. Parametrische Unsicherheiten werden hierfür mithilfe der Unscented Transform beschrieben, woduch auf sequentielle Algorithmen für die robuste Optimierung unter Unsicherheiten verzichtet werden kann. Die Variabilität der Eingangsgrößen wird mithilfe einer amplituden-modulierten pseudo-zufälligen Binärsequenz erzeugt, um einen möglichst großen Frequenz und Amplitudenbereich für diese Eingangssignale abdecken zu können. Zur Lösung des gemischt-ganzzahligen Anteils werden ein Lösungsansatz mithilfe eines typischen MINLP-Algorithmus sowie ein alternativer, parallelisierbarer Ansatz über den steilsten Gradienten vorgeschlagen. In diesem Aspekt wird insbesondere mit Prof. Ricardez-Sandoval von der University of Waterloo (Kanada) kooperiert. Um die nötige Anzahl an finiten Elementen festzulegen, wird eine Heuristik implementiert, die den Diskretisierungsfehler an Nicht-Kollokationspunkten auswertet und darauf basierend die Anzahl an finiten Elementen erhöht. In diesem Bereich wird intensiv mit Prof. Biegler von der Carnegie Mellon University zusammengearbeitet. Dieses Framework wird auf drei Beispielprozessen mit steigender Komplexität (bedingt durch Anzahl der Variablen und gemischt-ganzzahlige Variablen) für Störungen um den nominalen Betriebspunkt als auch für Flexibilitätsszenarien angewendet. Dabei handelt es sich um einen einzelnen Reaktor, eine Kombination von zwei CSTR und eine Destillationskolonne (mit binären Entscheidungsvariablen). Ziel des Projekts ist Framework für das Design von verfahrenstechnischen Prozessen, die flexibel betrieben werden sollen, und dabei wenig anfällig für dynamische Störungen und robust gegenüber parametrischer Unsicherheit sind.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen