Innovative Designs für optimierte Strömungsfelder in Reaktoren

Die chemische Industrie ist nicht nur ein wichtiger Industriezweig in Deutschland, sondern auch ein bedeutsamer Impulsgeber für Produktentwicklungen und Innovationen in den Themen Energie- und Ressourceneffizienz – und damit auch für den Klimaschutz. Gesellschaft und Politik fordern eine »grüne Chemie«, für die intensive Forschungs- und Entwicklungsanstrengungen unabdingbar sind. Unsere Forschenden untersuchen, wie diese grüne Chemie mit Digitalisierung vorangebracht werden kann.  

Unser Forschungsteam beschäftigt sich unter anderem mit der Optimierung von Strömungsfeldern in elektrochemischen Reaktoren. Diese spielen eine zentrale Rolle in der nachhaltigen Energieerzeugung und bei der chemischen Synthese. Die Optimierung der Strömungsfelder zielt darauf ab, die Effizienz und Leistungsfähigkeit solcher Reaktoren zu steigern.
 

Bedeutung der Optimierung von Strömungsfeldern in elektrochemischen Zellen

Praktische Anwendungen von Elektrolysezellen sind die Produktion von grünem Wasserstoff sowie anderen Chemikalien und Treibstoffen . Am Partnerinstitut Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT werden diese Zellen für die elektrochemische Hydrierung (EChH) eingesetzt. Die Elektrosynthese bietet eine nachhaltige Alternative zu herkömmlichen Verfahren. Die Strömungsfelder sind dafür verantwortlich, die Fluide, welche für die elektrochemische Reaktion benötigt werden, über die komplette Zelle zu verteilen. 

Dabei müssen sie hohe Voraussetzungen an die mechanische Stabilität und die elektrische Leitfähigkeit erfüllen. Deshalb kann unsere Optimierung der Strömungsfelder die Effizienz der Reaktionen in den Zellen erheblich verbessern.
 

Methoden: Simulationsmodelle zur Optimierung der Strömungsfelder

Für die Strömungssimulation und -optimierung wurden Kompetenzen aus drei Abteilungen des Fraunhofer ITWM zusammengebracht:

• Die Abteilung »Strömungs- und Materialsimulation« entwickelt detaillierte Simulationsmodelle der Strömung und elektrochemischen Reaktionen.
• Die Abteilung »Transportvorgänge« verwendet Formoptimierungsmethoden, um neue Designs für die Strömungsfelder zu erzeugen.
• Der Bereich »Optimierung« stellt Algorithmen zur multikriteriellen Optimierung bereit.

Diese Methoden werden miteinander gekoppelt, um die Strömungsfelder zu verbessern. Dabei werden die folgenden Kriterien berücksichtigt:

• die Strömungs- und Verweilzeitverteilung 
• die Wandschubspannung 
• das Volumen der Geometrie
• der Druckverlust des Strömungsfelds

Verbesserte Strömungsfelder durch multikriterielle Optimierung

Mithilfe der multikriteriellen Formoptimierung, welche die widersprüchlichen Zielkriterien systematisch betrachtet, konnten wir neue und innovative Designvorschläge für Strömungsfelder erzeugen. Diese fertigt und testet nun das Fraunhofer UMSICHT experimentell. Unsere Arbeit stellt einen wichtigen Schritt in Richtung effizienter und nachhaltiger elektrochemischer Prozesse dar und hebt die Bedeutung der Formoptimierung in der Weiterentwicklung dieser Technologien hervor.