Weiterentwicklung des Strategiekonzepts der TU ... · IMPRESSUM Herausgeber TU Bergakademie Freiberg ZIK Virtuhcon Fuchsmühlenweg 9 09599 Freiberg Autoren des weiterentwickelten

Zentrum für InnovationskompetenzVirtuelle Hochtemperatur-Konversionsprozesse

Weiterentwicklung des Strategiekonzepts der TU Bergakademie Freiberg

für die zweite Förderphase des BMBF-Programms „Zentren für Innovationskompetenz in den Neuen Ländern:

Exzellenz schaffen – Talente sichern“ im Rahmen der Innovationsinitiative „Unternehmen Region“

IMPRESSUM

Herausgeber TU Bergakademie Freiberg ZIK Virtuhcon Fuchsmühlenweg 9 09599 Freiberg

Autoren des weiterentwickelten StrategiekonzeptsDr. rer. nat. Felix Baitalow, Institut für Energieverfahrenstechnik und Chemieingenieurwesen (IEC)Professor Dr.-Ing. habil. Christoph Brücker, Institut für Mechanik und Fluiddynamik (IMFD)Professor Dr.-Ing. habil. Ulrich Groß, Institut für Wärmetechnik und Thermodynamik (IWTT)Dr.-Ing. Stefan Guhl, Institut für Energieverfahrenstechnik und Chemieingenieurwesen (IEC)Professor Dr.-Ing. Christian Hasse, Institut für Energieverfahrenstechnik und Chemieingenieurwesen (IEC)Professor Dr.-Ing. habil. Bernhard Jung, Institut für Informatik (IFI)Dipl.-Wi.-Ing. Alexander Laugwitz, Institut für Energieverfahrenstechnik und Chemieingenieurwesen (IEC)Professor Dr. rer. nat. habil. Andreas Leineweber, Institut für Werkstoffwissenschaft (IWW)Anne Melzer, Institut für Energieverfahrenstechnik und Chemieingenieurwesen (IEC)Professor Dr.-Ing. Bernd Meyer, Institut für Energieverfahrenstechnik und Chemieingenieurwesen (IEC)Dipl.-Wirt.-Sin. (FH) Kristin Neumann, Institut für Energieverfahrenstechnik und Chemieingenieurwesen (IEC)Professor Dr. rer. nat. Oliver Rheinbach, Institut für Numerische Mathematik und Optimierung (INMO)Dr.-Ing. Andreas Richter, Institut für Energieverfahrenstechnik und Chemieingenieurwesen (IEC)Professor Dr.-Ing. Michael Stelter, Institut für Nichteisen-Metallurgie und Reinststoffe (INEMET)Professor Dr.-Ing. Olena Volkova, Institut für Eisen- und Stahltechnologie (IEST)

(alle TU Bergakademie Freiberg)

Satz und Gestaltung Brita Gelius, TU Bergakademie Freiberg Grafiken TU Bergakademie Freiberg Umschlagdruck Druckerei Dämmig, ChemnitzGesamtherstellung Medienzentrum der TU Bergakademie Freiberg

HinweisIn diesem Konzept gelten grammatisch maskuline Personenbezeichnungen gleichermaßen für Personen weiblichen Geschlechts.

Dieses Dokument ist vertraulich zu behandeln.

Alle Rechte vorbehalten. Dieses Strategiekonzept ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung oder Vervielfältigung dieses Dokuments in anderen als den gesetzlich zulässigen Fällen ist – auch in Auszügen – ohne vorherige schriftliche Zustimmung des Herausgebers nicht zulässig.

© 2015 TU Bergakademie Freiberg

DANKSAGUNG

Die Autoren bedanken sich beim Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) und beim Sächsi-schen Staatsministerium für Wissenschaft und Kunst (SMWK) für die großzügige Unterstützung des Zentrums für Innovationskompetenz Virtuhcon, das im Rahmen des BMBF-Programms Zentren für Innovationskompe-tenz in den Neuen Ländern: Exzellenz schaffen – Talente sichern unter dem Dach der Innovationsinitiative Unternehmen Region (Förderkennzeichen 03Z2FN11, 03Z2FN12) sowie aus SMWK-Mitteln (Aktenzeichen 4-7531.50/92/1) gefördert wird.

Inhaltsverzeichnis

Abkürzungen

Die Virtuhcon-Institute

INHALT

Zusammenfassung .................................................................................................................................. IExecutive Summary ..............................................................................................................................III

1 ZIK Virtuhcon heute – Soll-Ist-Vergleich .............................................................................11.1 Einbindung des ZIK Virtuhcon am Standort Freiberg ....................................................11.2 Nationale und internationale Positionierung des ZIK Virtuhcon ...............................4

1.2.1 Alleinstellungsmerkmale des ZIK Virtuhcon ......................................................41.2.2 Nachwuchsgruppen des ZIK Virtuhcon ...............................................................7

1.3 Organisation des ZIK Virtuhcon .......................................................................................... 111.4 Zusammengefasste Soll-Ist-Analyse .................................................................................. 14

2 ZIK Virtuhcon 2025 – Strategie und Entwicklungskonzept ................................. 162.1 Perspektiven und Ziele des ZIK Virtuhcon ....................................................................... 162.2 Struktureller Forschungsansatz ........................................................................................... 192.3 Nachwuchsgruppen ................................................................................................................ 24

2.3.1 Nachwuchsgruppe Mehrphasenmodelle ........................................................ 242.3.2 Nachwuchsgruppe Stoff- und Prozessanalyse ............................................... 262.3.3 Nachwuchsgruppe Prozessvirtualisierung ...................................................... 282.3.4 Vernetzung zwischen den Nachwuchsgruppen ........................................... 30

2.4 Skizze des Verbundvorhabens HITEGAS VD ...................................................................... 312.5 Ausbau der Infrastruktur ........................................................................................................ 332.6 Ausbildung, Qualifizierung und Nachwuchssicherung .............................................. 342.7 Organisation und Qualitätssicherung ............................................................................... 372.8 Finanzierungskonzept ............................................................................................................ 37

2.8.1 Finanzierungskonzept für die Förderphase 2016–2020 ............................. 392.8.2 Finanzierungsprognose für 2021–2025 ........................................................... 40

ABKÜRZUNGEN

ANSYS Fluent® Kommerzielle CFD-SoftwareBMBF Bundesministerium für Bildung und ForschungBMWi Bundesministerium für Wirtschaft und EnergieBYU Brigham Young UniversityCFD Computational Fluid Dynamics

(Numerische Strömungsmechanik)COORVED CO2-Reduktion durch innovatives VergaserdesignCRIEPI Central Research Institute of the Electric Power, JapanESF Europäischer SozialfondEU Europäische UnionEVT Energieverfahrenstechnik und thermische

RückstandsbehandlungDBI Deutsches BrennstoffinstitutHITECOM High Temperature Conversion Optical MeasurementHITEGASVD High Temperature Syngas Process, Virtuhcon DesignedHotVeGas Hochtemperatur-VergasungHPC High-Performance-Computing (Hochleistungsrechnen)HP POX High Pressure Partial Oxydation (Hochdruck-Partialoxidation)IEC Institut für Energieverfahrenstechnik und

Chemieingenieurwesen*IEST Institut für Eisen- und Stahltechnologie*

IFI Institut für Informatik*IMFD Institut für Mechanik und Fluiddynamik*INEMET Institut für Nichteisen-Metallurgie und Reinststof-

fe*INMO Institut für Numerische Mathematik und Optimie-

rung*IWTT Institut für Wärmetechnik und Thermodynamik*IWW Institut für Werkstoffwissenschaft*KIC Knowledge and Innovation Community

(Wissens- und Innovationsgemeinschaft)KIT Karlsruhe Institute of TechnologyKIVAN Kinetische Versuchsanlage (Fallstromreaktor)LOI Letter of Intent (Absichtserklärung)NTFD Numerische ThermofluiddynamikOpenFOAM® Open Source Field Operation and Manipulation

(CFD-Software)OPTISOS® Optisches SondensystemRT ReaktionstechnikSFGT Siemens Fuel Gasification TechnologySMWK Sächsisches Staatsministerium für Wissenschaft

und Kunst

IECInstitut für Energieverfahrenstechnik und Chemieingenieurwesen vertreten durch Professor Dr.-Ing. Bernd Meyer (Sprecher)

INEMETInstitut für Nichteisen-Metallurgie und Reinststoffe vertreten durch Professor Dr.-Ing. Michael Stelter (stellvertretender Sprecher)

IESTInstitut für Eisen- und Stahltechnologie vertreten durch Professor Dr.-Ing. Olena Volkova

IFIInstitut für Informatik vertreten durch Professor Dr.-Ing. habil. Bernhard Jung

IMFDInstitut für Mechanik und Fluiddynamik vertreten durch Professor Dr.-Ing. habil. Christoph Brücker

INMOInstitut für Numerische Mathematik und Optimierung vertreten durch Professor Dr. rer. nat. Oliver Rheinbach

IWTTInstitut für Wärmetechnik und Thermodynamik vertreten durch Professor Dr.-Ing. habil. Ulrich Groß

IWWInstitut für Werkstoffwissenschaft vertreten durch Professor Dr. rer. nat. habil. Andreas Leineweber

Koordinierende Institute

Eingebundene Institute

DIE VIRTUHCON-INSTITUTE

I

www.virtuhcon.de

Zusammenfassung

Ob Mineralstoffe, Kunststoffe oder Metalle, nahezu alle Basisprodukte des täg-lichen Lebens durchlaufen während ihrer Herstellung energieintensive Hoch-temperatur-Konversionsprozesse mit Temperaturen bis teilweise über 2.000 °C und verursachen hohe prozessbedingte CO2-Emissionen. In den zugehörigen Industriezweigen Mineralstoffindustrie, chemische Industrie oder auch Metal-lurgie werden in Deutschland jährlich mehr als 50 Mio. Tonnen CO2 emittiert.1 Vor diesem Hintergrund ist das Zentrum für Innovationskompetenz (ZIK) Virtuh-con (Virtual High Temperature Conversion) als transdisziplinäres Zentrum im Jahre 2009 angetreten. Die Mission von Virtuhcon war und ist die Erhöhung der Effizienz energieintensiver Hochtemperatur-Konversionsprozesse, ein An-liegen, das mit der Energiewende weiteren Nachdruck erhalten hat.

Das ZIK Virtuhcon ist ein wissenschaftlich selbstständiges Forschungszen-trum, eingebunden in die Organisationsstruktur der TU Bergakademie Freiberg, eng vernetzt mit acht beteiligten Instituten und angesiedelt am koordinieren-den Institut für Energieverfahrenstechnik und Chemieingenieurwesen (Direktor Professor B. Meyer, Sprecher des Vorstands des ZIK Virtuhcon), dem drittmit-telstärksten Institut der TU Bergakademie Freiberg. Im Kern des Ressourcen-profils der TU Bergakademie Freiberg – in den Profillinien Material, Energie und Umwelt – leistet das ZIK Virtuhcon einen entscheidenden Beitrag zur Um-setzung der Wissenschaftsstrategie der Mathematisierung der Natur- und In-genieurwissenschaften. Die Universität ist damit sehr erfolgreich und erreicht im nationalen Vergleich eine Spitzenposition in der Forschung, gemessen an Drittmitteln pro Professor (Platz 1 in Ostdeutschland, bundesweit Platz 4; ohne Medizin). Die nationale und internationale Anerkennung von Virtuhcon ist sehr hoch.

Mit dem ZIK Virtuhcon wurde weltweit erstmals der transdisziplinäre Stra-tegieansatz der mathematischen Prozessvirtualisierung technischer Reakti-onsräume in der Verbindung von hochaufgelöster Modellierung mit Multiska-lenvalidierung von der Mikro- bis zur großtechnischen Skala erfolgreich unter Beweis gestellt. Ein wichtiger Schlüssel zum Erfolg ist die Verfügbarkeit der unikalen, großmaßstäblichen Versuchstechnik. Die damit erreichte realitäts-nahe, validierte Abbildung des Schlüsselprozesses Hochdruck-Partialoxida-tion zur Synthesegaserzeugung aus Erdgas führte zu Patentanmeldungen

1 Zahlen für 2013: 52,2 Mio. t CO2, davon mineralische Produkte 18,7 Mio. t CO2, chemische

Industrie 17,1 Mio. t CO2 und Metallherstellung 16,4 Mio. t CO2. (Quelle: Treibhausgas-

ausstoß in Deutschland 2013, Vorläufige Ergebnisse aufgrund erster Berechnungen und

Schätzungen des Umweltbundesamtes, PDF-Publikation Umweltbundesamt, März 2014)

II

www.virtuhcon.de

mit hohem Innovationspotenzial und darauf aufbauend zu Forschungs- und Entwicklungsprojekten mit der Industrie für neue Verfahren bis zur Marktreife.

Die strukturelle Verstetigung des Zentrums wurde durch einen Neubau, eine W2-Professur (künftig W3), eine unbefristete Forschungsgruppenleiterstelle, insgesamt zwölf mehrjährig projektfinanzierte Mitarbeiter sowie die Gründung der DBI-Virtuhcon GmbH auf den Weg gebracht.

Der bereits vorbereitete, nächste große Innovationsschritt besteht in der Über-tragung des bewährten, transdisziplinären Strategieansatzes vom Kohlenstoff-System auf metallurgische Systeme. Dieser Schritt erfolgt in enger Anbindung an das Institut für Nichteisen-Metallurgie und Reinststoffe (Professor M. Stelter, stellvertretender Sprecher von Virtuhcon). Das ZIK Virtuhcon wird damit in die Lage versetzt, als selbsttragendes Innovationszentrum für CO2-arme chemi-sche und metallurgische Hochtemperatur-Konversionsprozesse in Kooperation mit der TU Bergakademie Freiberg dauerhaft erfolgreich am Markt zu agieren. Für 2025 wird ein Umsatz von mindestens 1 Mio. € an der DBI-Virtuhcon GmbH und ein zusätzliches Drittmittelvolumen an der TU Bergakademie Freiberg von mindestens 2 Mio. € erwartet.

III

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Executive Summary

Whether they are minerals, synthetic materials or metals, almost all basic prod-ucts used in everyday life are produced through energy-intensive high-temper-ature conversion processes at temperatures which sometimes reach 2.000 °C or higher. This results in the production of large amounts of CO2, with industries such as the minerals industry, chemical industry, and metallurgy emitting more than 50 million metric tons of CO2 per year in Germany.2 This is the context in which the transdisciplinary Center for Innovation Competence CIC Virtuhcon (Virtual High Temperature Conversion) kicked off its research activities in 2009, its goal being to increase the efficiency of energy-intensive high-temperature conversion processes. With the turnaround in Germany’s energy policy, this objective has increased in significance and relevance.

CIC Virtuhcon (Speaker: Professor B. Meyer) is an independent research center. It is integrated into the organizational structure of TU Bergakademie Freiberg and is closely connected with eight collaborating institutes. The center is located at the Institute of Energy Process Engineering and Chemical Engi-neering, which generates most third-party funding at the university and which coordinates the work of CIC Virtuhcon. With its activities spanning three of the four core fields in TU Bergakademie Freiberg’s profile – material, energy, en-vironment – CIC Virtuhcon makes a crucial contribution to the implementation and realization of the science strategy to mathematize the fields of natural sci-ence and engineering. The TU Bergakademie Freiberg is very successful in im-plementing this strategy and achieves a top ranking in science and research in Germany, measured in terms of third-party funding per professorship (ranked number one in East Germany; ranked number four in the whole of Germany ex-cluding medical science). Furthermore, the competence and research exper-tise of CIC Virtuhcon is also highly regarded both nationally and internationally.

CIC Virtuhcon is the first center to successfully execute the transdisciplinary strategy of combining the virtualization of reactor processes, high-resolution modelling, and multi-scale validation ranging from micro-scale modeling to large-scale pilot plants. A major key to its success is the availability of and ac-cess to unique, large-scale test facilities. This enables a realistic and validated numerical simulation of the crucial process of high-pressure partial oxidation of

2 2013: 52.2 million tons of CO2 in total, of which 18.7 million tons of CO2 from mineral pro-

ducts, 17.1 million tons of CO2 from the chemical industry, and 16.4 million tons of CO2

from metal production (Source: Treibhausgasausstoß in Deutschland 2013, Vorläufige Er-

gebnisse aufgrund erster Berechnungen und Schätzungen des Umweltbundesamtes, PDF

publication Umweltbundesamt, March 2014)

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www.virtuhcon.de

natural gas. Its research activities have led to new patent applications, and sub-sequently to research and development projects with industry partners ranging from the co-development of innovative processes to commercialization.

The structural consolidation of CIC Virtuhcon is supported by the construc-tion of a new building, the establishment of a permanent Professorship posi-tion and that of a research group leader position, the continued employment of 12 research associates via third-party project funding, and the founding of DBI-Virtuhcon GmbH.

The next significant innovation step which has been set as a target, and which is already in preparation, is to transfer Virtuhcon’s transdisciplinary re-search concept for carbon-based systems to metallurgical processes. This will be carried out in close collaboration with INEMET, the Institute of Nonferrous Metallurgy and High-Purity Materials (Professor M. Stelter, deputy speaker of Virtuhcon). In cooperation with TU Bergakademie Freiberg, CIC Virtuhcon will in future be qualified to operate independently and successfully on the open market in the field of low-carbon chemical and metallurgical high-temperature conversion processes. In 2025, a sales volume of € 1 million is expected through DBI-Virtuhcon GmbH, plus additional third-party funding of approximately € 2 million through TU Bergakademie Freiberg.

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1 ZIK Virtuhcon heute – Soll-Ist-Vergleich

1.1 Einbindung des ZIK Virtuhcon am Standort Freiberg

Thematische AusrichtungDas Zentrum für Innovationskompetenz (ZIK) Virtuhcon (Virtual High Tem-perature Conversion, virtuelle Hochtemperatur-Konversionsprozesse) ist ein transdisziplinäres Innovationszentrum zur Entwicklung neuer, energieeffizien-ter Technologieansätze für ressourcen- und energieschonende Hochtempera-tur-Konversionsprozesse. Die Herstellung von Werkstoffen und Energieträgern (beispielsweise Mineralstoffe, Kunststoffe, Metalle oder auch Flüssigkraftstoffe), als wichtigste Grundlage für industrielle Wertschöpfungsketten, basiert derzeit überwiegend auf Konversionsprozessen bei Temperaturen bis teilweise über 2.000 °C. Beispiele für solche Prozesse sind das Reduzieren bzw. das Rösten von Erzen zur Gewinnung von Rohmetallen, wie Eisen, Kupfer oder Zink, die Par-tialoxidation von Erdöl oder Erdgas (für Primärchemikalien zur Herstellung von Kunststoffen und anderen Produkten), das Brennen von Kalk oder die Umwand-lung von Kohle oder Biomasse in Flüssigkraftstoffe. Die Hochtemperatur-Konver-sionsprozesse stehen aufgrund ihrer hohen Energieintensität im Spannungsfeld zwischen den Bedürfnissen der Industriegesellschaften und den dringenden Anforderungen der nachhaltigen Entwicklung und des Klimaschutzes.

Das ZIK Virtuhcon ist angetreten, neue Hochtemperatur-Konversionstechnolo-gien mit verringertem CO2-Ausstoß und niedrigerem Energiebedarf zu entwi-ckeln. Mit der Einrichtung des ZIK Virtuhcon wurde im Freistaat Sachsen ein zukunftsweisender Innovationskern mit enormen Strukturentwicklungs- und Wertschöpfungspotenzialen, insbesondere für die regionale Energiewirtschaft, die chemische und metallverarbeitende Industrie sowie den Anlagenbau ge-schaffen.

Den Schlüssel für eine beschleunigte Technologieentwicklung stellt die Pro-zessvirtualisierung dar. Sie ermöglicht eine zeit- und kosteneffiziente Optimie-rung der Hochtemperatur-Konversionsprozesse und führt zu neuen Lösungs-ansätzen, ohne dass aufwendige Versuchsanlagen errichtet werden müssen.

ZIK Virtuhcon entwickelt neue, effiziente Hochtemperatur-Konversionstechnolo-gien mit niedrigerem Energiebedarf und verringertem CO2-Ausstoß. Der Schlüs-sel hierfür ist die Prozessvirtualisierung.

Unter Prozessvirtualisierung wird die realitätsnahe Erfassung und Abbildung tech-nologischer Prozesse auf der Basis von mathematisch-naturwissenschaftlichen Modellen verstanden.

2

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Einordnung in das Wissenschaftsprofil der TU Bergakademie FreibergDas ZIK Virtuhcon betreibt am Standort Freiberg internationale Spitzenfor-schung im Bereich der Prozessvirtualisierung für Hochtemperaturprozesse bei der Energieträgerkonversion und in der Metallurgie. Das verbindende, zentrale Element bildet die Partialoxidation.

Mit seinen Handlungsfeldern Me-tallurgie und Energieträgerwandlung liegt das ZIK Virtuhcon im Zentrum des Ressourcenprofils der TU Berg-akademie Freiberg mit ihren vier Profillinien Geo, Material, Energie und Umwelt (GEOMATENUM) und leistet einen entscheidenden Beitrag zur Umsetzung der Wissenschafts-strategie der Mathematisierung der Natur- und Ingenieurwissenschaften. Das ZIK Virtuhcon profitiert von der umfassenden Fachexpertise in den relevanten Wissenschaftsbereichen Metallurgie, Verfahrenstechnik, Wär-metechnik, Chemieingenieurwesen sowie den komplementären Diszipli-nen der Mathematik, Informatik und der Naturwissenschaften, aber auch der ausgezeichneten, weltweit ein-zigartigen Forschungsinfrastruktur. In das ZIK Virtuhcon sind acht Ins-titute aus drei Fakultäten eingebun-den, die die Kernkompetenzen ab-decken (siehe Abbildung 1).

Beitrag zur Strukturbildung am Standort FreibergDas ZIK Virtuhcon ist eine interdisziplinäre wissenschaftliche Einrichtung mit in-stitutsähnlichem Charakter an der Fakultät für Maschinenbau, Verfahrens- und Energietechnik der TU Bergakademie Freiberg. Es verfügt über ein eigenes, im Jahre 2011 bezogenes Gebäude am Standort Reiche Zeche mit Technikums-, Labor- und Büroräumen (siehe Abbildung 2) in unmittelbarer Nachbarschaft des Instituts für Energieverfahrenstechnik und Chemieingenieurwesen (IEC). Das Raumnutzungskonzept ist im Anhang K.1 dargestellt.

Abbildung 1:

Integration des ZIK

Virtuhcon in das

Ressourcenprofil der

TU Bergakademie

Freiberg

UmweltEnergieMaterialGeo

Institut für Wärmetechnikund Thermodynamik

Institut für Mechanikund Fluiddynamik

Institut für Nichteisen-Metallurgie und Reinststoffe

Institut für Energieverfahrenstechnik und Chemieingenieurwesen

Institut fürWerkstoffwissenschaft

Institut für Eisen- und Stahltechnologie

Institut für Informatik

Institut für Numerische Mathematikund Optimierung

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Die Forschungsergebnisse und das aufgebaute Spitzen-Know-how am ZIK Virtuhcon gaben wichtige Impulse für die Verankerung und Verstetigung neu-er Themenfelder an der TU Bergakademie Freiberg. Außerdem konnten eine Reihe von Großprojekten etabliert bzw. mitinitiiert werden. In der Forschungs- bilanz der TU Bergakademie Freiberg ist in den letzten Jahren ein zunehmen-der Anteil der eingeworbenen Drittmittel direkt oder indirekt auf ZIK Virtuhcon zurückzuführen (ab 2012 schätzungsweise mehr als 5 Mio. € jährlich, im Ver-gleich zu 54–58 Mio. € Drittmitteleinnahmen insgesamt). Dank seiner stark inter-disziplinär ausgeprägten Arbeitsweise stellt das ZIK Virtuhcon einen Kristallisa-tionspunkt innerhalb der TU Bergakademie Freiberg für die fachübergreifende Zusammenführung der traditionell starken Hochtemperatur-Prozess-Expertise mit der Prozessvirtualisierung dar.

Das ZIK Virtuhcon hat sehr früh begonnen, ein national und international verankertes Netzwerk aufzubauen, um den wissenschaftlichen Informations-austausch und die internationale Sichtbarkeit nachhaltig zu sichern sowie eine starke Ausstrahlung auf die regionale, nationale und internationale Wirtschaft zu erreichen. Die wichtigsten Partner sind im Anhang G aufgelistet. Mit dem Netzwerk leistet das ZIK Virtuhcon einen signifikanten Beitrag zur Stärkung des Technologiestandorts Deutschland.

Zur Verstetigung des ZIK Virtuhcon wurde 2014 die DBI-Virtuhcon GmbH1 ausgegründet, mit dem Ziel, Dienstleistungen, Beratungen und Entwicklungen für die nachhaltige Stoff- und Energiewirtschaft anzubieten. Daraus ergeben sich interessante und langfristige Karriereperspektiven und gleichzeitig erhöht sich die Attraktivität für internationale Spitzenwissenschaftler. Besonders der Anlagenbau in Deutschland profitiert hiervon.

1 Geschäftsführer/Gesellschafter: Bernd Meyer, Prokurist/Gesellschafter: Olaf Schulze, wei-

tere Gesellschafter: Andreas Richter, Stefan Guhl, Robert Pardemann.

Abbildung 2:

Neubau des Virtuh-

con-Gebäudes und

großflächige Werbe-

fläche am Standort

des Instituts IEC

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1.2 Nationale und internationale Positionierung des ZIK Virtuhcon

1.2.1 Alleinstellungsmerkmale des ZIK Virtuhcon

Spitzenpositionen in der ForschungMit vier eigenen Patenten, einem Buch, 72 Zeitschriftenpublikationen, der Einbet-tung in eine eigene internationale Tagung und mehr als 150 Konferenzbeiträgen demonstriert Virtuhcon deutlich sein Wissenschafts- und Innovationspotenzi-al. Das Alleinstellungsmerkmal im Vergleich zu anderen Forschungseinrich-tungen in diesem Themenbereich ist die starke Verzahnung von Modellierung und (großtechnischem) Experiment. Durch die Integration der Ergebnisse der experimentell abgesicherten Grundlagenforschung auf der Mikro- bzw. Parti-kelebene in die Simulationsmodelle für Hochtemperatur-Konversionsprozesse im Industriemaßstab, unterstützt durch die Validierung an den eigenen groß-technischen Referenzanlagen, konnte eine weltweit einmalige Qualität der Re-chenmodelle erreicht werden. Gerade die uneingeschränkte Verfügbarkeit der großtechnischen Versuchsanlagen HP POX, COORVED-Reaktor, Flugstromver-gaser KIVAN und Schlackebadvergaser am Institut IEC stellt ein deutliches in-ternationales Alleinstellungsmerkmal dar und fördert gleichzeitig das Vertrauen der Industriepartner in neue Anlagen- und Prozesskonzepte, die am ZIK Virtuh-con und am Institut IEC entwickelt werden.

Im internationalen Vergleich besitzen nur sehr wenige Forschungsstandorte eine vergleichbar breite Basis aus großtechnischen Versuchsanlagen, umfas-sender Laborausstattung, Technikumsanlagen und Modellierungskompetenz zur Technologieerforschung und -entwicklung im Hochtemperaturbereich. Die größten Wettbewerber sind hier vor allem die Tsinghua University, die East Chi-na University of Science and Technology und das Institute of Coal Chemistry der Chinese Academy of Sciences (China), das Coal Energy Center JCOAL und das Central Research Institute of Electric Power Industry CRIEPI (Japan), das Department of Mechanical Engineering MechE des Massachusetts Ins-titute of Technology sowie das Gas Technology Institute in Chicago oder das Institute for Clean and Secure Energy’s CASE der Universität Utah (USA).

Die asiatische Konkurrenz betreibt mittlerweile zu einem kleinen Teil Grund-lagenforschung, konzentriert sich aber überwiegend auf die Optimierung in-ternational bereits bestehender Konzepte und Systeme, insbesondere kom-

Mit dem ZIK Virtuhcon ist es in den letzten fünf Jahren gelungen, ein international führendes Forschungszentrum zur hochaufgelösten realitätsnahen Simulation von Hochtemperatur-Konversionsprozessen zu etablieren.

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merzieller Betriebsanlagen. Allerdings wird auch in China ein strukturierter Forschungsansatz analog dem ZIK Virtuhcon zunehmend als zielführend für die eigene Vergaserentwicklung angesehen. So baut das Institute of Coal Chemistry der Chinese Academy of Sciences eine eigene Stoffdatenbank mit dem Ziel der Modellentwicklung und Vorausmodellierung vergasungskritischer Asche-/Schlackeeigenschaften auf. Eine Analyse der wissenschaftlichen Arbei-ten zeigt einen mehrjährigen Vorsprung in der Modellierungskompetenz des ZIK Virtuhcon und ein Alleinstellungsmerkmal durch die einzigartigen Möglich-keiten der Modellvalidierung an Großversuchsanlagen.

Die nordamerikanischen Wettbewerber fokussieren vor allem auf die schnel-le Umsetzung technischer Verbesserungen, wobei die Innovationsschritte ver-gleichsweise gering sind. Eine Ausnahme bilden die Sandia National Laborato-ries mit einer starken theoretischen Ausrichtung. Die Modellierungskompetenz ist im Vergleich zu Japan und China fortgeschrittener. Das wesentliche Allein-stellungsmerkmal des ZIK Virtuhcon ist auch hier die starke Verbindung von Modellierungskompetenz und großtechnischer Validierung.

Nationale Wettbewerber sind vor allem die TU München mit dem Fokus auf Grundlagenforschung und Stoffdatengewinnung, die TU Darmstadt mit dem Schwerpunkt Chemical Looping und Wirbelschichttechnologien sowie das Karls-ruher Institut für Technologie (KIT), das sich vor allem auf die thermisch-chemi-sche Konversion von Biomasse konzentriert. Die sich gegenseitig ergänzenden Kompetenzen liefern die Basis für eine gute Forschungskooperation. Das KIT hat das Thema aufgegriffen und 2011 das Helmholtz Virtual Institute for Gasification Technology (HVIGasTech) nach dem Vorbild von Virtuhcon gegründet. Ziel ist die Entwicklung wissensbasierter Simulationswerkzeuge für technische Flugstrom-vergaser. Der Umfang ist jedoch begrenzt (fünf Stellen über fünf Jahre).

Die Spitzenposition des ZIK Virtuhcon in der Forschung wird dadurch unter-strichen, dass es erstmals gelungen ist, auf Basis der Prozessvirtualisierung zu vermarktungsnahen Lösungen zu gelangen. So soll beispielsweise zusammen mit einem großen deutschen Anlagenbauer in den nächsten Jahren eine neue Technologie der autothermen Reformierung gasförmiger Kohlenwasserstoffe zur Marktreife gebracht werden.

Einbeziehung der WirtschaftEin wesentlicher Erfolg der letzten Jahre ist der Aufbau von Vertrauen der In-dustriepartner in die Zuverlässigkeit der Virtualisierung. Die hohe Akzeptanz des ZIK Virtuhcon seitens der Industrie wird durch die steigende Zahl laufen-der oder sich in Beantragung befindlicher F&E-Projekte deutlich. Die Abbil-dung 3 zeigt einen Querschnitt der Forschungsvorhaben, die maßgeblich von Virtuhcon mitinitiiert wurden. Zusätzlich findet bzw. fand eine enge Zusammen-

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arbeit mit einer Reihe weiterer Forschungsvorhaben statt. Hierzu zählen unter anderem die von der Industrie kofinanzierten Vorhaben COORVED, Deutsches EnergieRohstoff-Zentrum DER und HotVeGas.

Durch das ZIK Virtuhcon wurden u. a. folgende Großvorhaben mitinitiiert:• die o. g. Weiterentwicklung der autothermen Reformierung gemeinsam mit

einem deutschen Unternehmen im Rahmen eines EU-Großforschungspro-jekts, KIC InnoEnergy, geplantes Fördervolumen (EU) 10,4 Mio. €, davon 8,9 Mio. € TU Bergakademie Freiberg,

• F&E für Prozessoptimierung und Vergaserentwicklung im Rahmen eines EU-Projekts, geplantes Fördervolumen (EU) 20 Mio. €, davon 0,6 Mio. € TU Berg-akademie Freiberg,

• bilaterale (nicht öffentlich geförderte) und vom BMWi unterstützte For-schungsvorhaben mit RWE AG, Essen zur thermisch-chemischen Kohlenut-zung und zur Kraftstoffsynthese,

• BMWi-unterstütztes Forschungsvorhaben mit Vattenfall zur CO2-emissions-armen Kohleverbrennung.

Neue Impulse zur NachwuchssicherungDas ZIK Virtuhcon hat einen wesentlichen Beitrag zur Steigerung der Attrak-tivität der TU Bergakademie Freiberg für exzellente aus- und inländische Wis-senschaftler geleistet. Durch den Zugang zur hochkarätigen Forschungsinfra-struktur, die qualifizierte Betreuung und enge Einbindung in die Arbeitsgruppen, aber auch durch die Bereitstellung von gestalterischen Freiräumen sowie das geschaffene attraktive soziale und kulturelle Umfeld, finden die Nachwuchsfor-scher hervorragende Arbeits- und Lebensbedingungen vor. Außerdem garan-tiert das ZIK Virtuhcon beste Möglichkeiten zur industrienahen Qualifizierung.

Dank der Internationalität, der wissenschaftlichen Stärke und der Vernetzung

DFG (1,1 %)Beispielprojekt Multi-Dimensional Flamelet Modeling for LES of Pulverized Coal Flames, Geschäftszeichen: HA 4367/3-1, 0,23 Mio. €

Industrie (15,0 %)Beispielprojekt Synfuels China, Projektvolumen 0,84 Mio. €

BMBF (11,7 %)Beispielprojekt Verbund-ZIK HITECOM II, Förderkennzeichen: 03Z2F512, Projektvolumen 1,27 Mio. € (nur TU Bergakademie Freiberg)

BMWi (23,4 %)Beispielprojekt Weiterentwicklung der BGL-Vergasung zu einem IGCC- und Polygeneration-Vergasungsverfahren, Förderkennzeichen: 03ET7043, Projektvolumen 5,0 Mio. €, davon 0,9 Mio. € Industrie

Freistaat Sachsen (2,4 %)Beispielprojekt Fortsetzung der Virtuhcon-NWG Grenzflächenphänomene, Aktenzeichen 4-7531.50/92/1, Projektvolumen 0,51 Mio. €

EFRE (46,4 %)Beispielprojekt Versuchsanlage zur Schlackebadvergasung ‚schwieriger‘ Brennstoffe, SAB-Projektnummer: 100092007, Projektvolumen 11,0 Mio. €, davon 1,1 Mio. € Industrie

Abbildung 3:

Durch das ZIK

Virtuhcon mitinitiierte

zentrale Forschungs-

vorhaben der

TU Bergakademie

Freiberg

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mit der Industrie bieten sich den Nachwuchsforschern optimale Karrierechan-cen gleichermaßen in der Wissenschaft und der Industrie. Die internationale Anziehungskraft zeigt sich unter anderem in der personellen Besetzung der Forschergruppen mit Mitarbeitern aus 14 Nationen.

Die erste Promotion wurde bereits Anfang 2014 abgeschlossen, in den nächsten Monaten werden drei weitere Promotionsverfahren eröffnet. Der Stel-lenwert der Nachwuchsförderung zeigt sich auch in der hohen Anzahl an be-treuten studentischen Qualifizierungsarbeiten (vgl. Anhang D).

Der Transfer des am ZIK Virtuhcon generierten Wissens in die studentische Ausbildung ist durch einen kontinuierlichen Ausbau des Lehrangebots und die feste Integration in den Lehrplan der TU Bergakademie Freiberg geprägt. Hier ist der mit der Technischen Universität Dresden eingerichtete, hochschulüber-greifende internationale Masterstudiengang Computational Science and En-gineering und die Vertiefungsrichtung Numerische Methoden der Verfahrens-technik des Diplomstudiengangs Verfahrenstechnik in Freiberg hervorzuheben. Zudem werden weitere Vorlesungen, Seminare und Workshops angeboten (vgl. Anhang E).

1.2.2 Nachwuchsgruppen des ZIK Virtuhcon

Die Nachwuchsgruppe Grenzflächenphänomene untersucht mittels numeri-scher Detailsimulationen die thermochemischen Prozesse an Phasengrenzen, beispielsweise bei reaktiven Kohlepartikeln oder an der Oberfläche einer Schla-ckeschicht. Basierend auf dem daraus resultierenden vertieften Physikverständ-nis werden fortschrittliche Teilmodelle entwickelt und an die Nachwuchsgruppe Reaktionsströmungssysteme übergeben. Sie bettet die Teilmodelle in hochauflö-senden Simulationsumgebungen ein, beispielsweise für Flugstromvergaser oder Hochtemperatur-Erdgasreformer. Die Nachwuchsgruppe Multiphasige Stoff-systeme hat die zentrale Aufgabe, die in der Literatur überwiegend nicht ver-fügbaren Stoffdaten und Reaktionskinetiken bereitzustellen. Für den erreichten wissenschaftlichen Vorsprung ist mit entscheidend, dass die für die numerische Simulation benötigten Stoff- und Prozessdaten von dieser Gruppe „aus einer Hand“ bereitgestellt werden.

Eingebettet in die Forschungsstruktur der TU Bergakademie Freiberg arbeiten die zwei BMBF-finanzierten und die landesfinanzierte Nachwuchsgruppe des ZIK Virtuhcon eng mit den acht beteiligten Instituten zusammen.

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Nachwuchsgruppe Reaktionsströmungssysteme (Professor C. Hasse)Der Forschungsschwerpunkt der Nachwuchsgruppe Reaktionsströmungssys-teme liegt in der wissenschaftlich fundierten Modellentwicklung und der Si-mulation von Hochtemperatur-Gasphasenprozessen der Partialoxidation in großen Reaktorsystemen, unter Berücksichtigung der Interaktion mit Partikeln. Betrachtet werden vor allem die chemischen Reaktionen (Oxidationsprozesse in Brennernähe und endotherme Umwandlungsprozesse), die Strahlung in op-tisch dichten Medien und die turbulente Strömung. Die darauf aufbauenden Modelle beschreiben einerseits die physikalische Kopplung der Prozesse und erlauben andererseits die größtmögliche rechentechnische Effizienz im Hin-blick auf hochauflösende Simulationen großer Reaktionsräume, d. h. sowohl in Bezug auf die Rechenleistung als auch auf den Arbeitsspeicher. Die Integrati-on in ein Gesamtmodell erfolgt in enger, wechselseitiger Zusammenarbeit mit den beiden anderen Nachwuchsgruppen.

Das Ziel der Gruppe Reaktionsströmungssysteme, die Erstellung von Ge-samtmodellen für die numerische Simulation (Virtualisierung), wird wie folgt er-reicht: Zum einen werden Modelle für die einzelnen Prozesse in der Gasphase (Turbulenz, homogene chemische Reaktionen, Strahlung) und deren Interak-tion für Partialoxidationsbedingungen entwickelt und validiert. Zum anderen

Abbildung 4:

Die Nachwuchs-

gruppen des

ZIK Virtuhcon

PartikelTropfenWand

Stoff

Energie

Grenzfläche

Multiphasige Stoffsysteme

Stoff- und Prozessdaten, Kinetiken

Institut für Nichteisen-Metallurgie und Reinststoffe

Institut für Wärmetechnik und Thermodynamik

Institut für Eisen- und Stahltechnologie

Institut für Werkstoffwissenschaft

Grenzflächenphänomene

Stoff- und Wärmeübertragung durch Grenzflächen

Institut für Mechanik und Fluiddynamik

Institut für Informatik

Reaktionsströmungssysteme

Gasphasenreaktionen und Reaktormodellierung

Institut für Numerische Mathematik und Optimierung

Institut für Wärmetechnik und Thermodynamik

Institut für Energieverfahrenstechnik und Chemieingenieurwesen

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werden diese Modelle mit den Modellen der Nachwuchsgruppen Grenzflä-chenphänomene und Multiphasige Stoffsysteme zu einem Gesamtsimulations-modell zusammengeführt. Auf diese Weise wurden insgesamt drei Bench-markfälle betrachtet, wobei die experimentellen Daten aus der Literatur (BYU Vergaser), vom Institut IEC (HP POX) und von Siemens (SFGT Kohleflugstrom-vergaser) stammen. Die validierten Simulationsmodelle können sowohl für die Optimierung bestehender Prozesse als auch für innovatives Prozessdesign (Vorwärtsdesign) eingesetzt werden. In den letzten fünf Jahren wurden 28 re-ferierte Zeitschriftenpublikationen (alle peer-reviewed) und mehr als 80 Beiträ-ge zu internationalen Konferenzen veröffentlicht sowie ein vermarktungsfähiges Softwareprodukt (Pyrolysekinetischer Präprozessor) entwickelt.

Ausgewählte Publikationen:1. H. Xu u. a.: A consistent Flamelet formulation for char burnout considering curvature effects,

Combustion and Flame 160, 2540–2558, 2013.2. M. Vascellari u. a.: Numerical simulation of pulverized coal MILD combustion using a new

heterogeneous combustion submodel, Flow Turbulence and Combustion 92, 319–345, 2014.3. M. Vascellari u. a.: Simulation of entrained flow gasification with advanced coal conversion

submodels. Part 1: Pyrolysis, Fuel 113, 654–669, 2013.4. M. Vascellari u. a.: Simulation of entrained flow gasification with advanced coal conversion

submodels. Part 2: char conversion, Fuel 118, 369–284, 2014.5. B. Garten u. a.: Detailed radiation modeling of a partial-oxidation flame with optically thin

and dense regions, International Journal of Thermal Sciences 87, 68–84, 2014.

Nachwuchsgruppe Multiphasige Stoffsysteme (Dr.-Ing. S. Guhl2)Der Forschungsschwerpunkt der Nachwuchsgruppe Multiphasige Stoffsysteme liegt auf der experimentellen Erfassung von Stoffdaten und der Untersuchung von Teilprozessen, die für die detaillierte Beschreibung und Simulation von Hochtemperatur-Konversionsprozessen relevant sind. Mit der Fokussierung auf die Partialoxidationsprozesse der Vergasung werden die Umsatzkinetiken fester Vergasungsstoffe (Kohle/Koks) einschließlich der bei der Kohle/Koks-Umsetzung stattfindenden Strukturänderungen untersucht. Die Messdaten werden anhand vorab validierter kinetischer Modelle ausgewertet. Ein besonderer Schwerpunkt besteht in der Erfassung der chemischen und physikalischen Eigenschaften der Mineralstoffkomponenten (Asche/Schlacke), wie Viskosität, Dichte, Oberflä-chenspannung und Wärmeleitfähigkeit, wobei die Datenbasis der gemessenen Viskositäten mithilfe der Viskositätsmodellierung erweitert wurde. Für Mineral-phasenumwandlungen wurde eine thermodynamische Stoffdatenbank erstellt.

2 Wechsel des vorherigen Nachwuchsgruppenleiters Dr. Patrick Masset ab 1. Januar 2012 zu

Fraunhofer UMSICHT, Institutsteil Sulzbach-Rosenberg, Abteilungsleiter Neue Materialien.

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Das Ziel der Nachwuchsgruppe ist die Bereitstellung genauester Daten, insbesondere der zur numerischen Simulation benötigten Stoff-, Prozess- und Validierungsdaten. Weiterhin führen die experimentellen und theoretischen Un-tersuchungen zur Erweiterung des Verständnisses für die teils sehr komplexen Hochtemperatur-Konversionsprozesse. Die Viskositätsmodellierung/-abschät-zung wurde als eigenständig verwertbares Softwaretool entwickelt. Wesentli-che Ergebnisse der Nachwuchsgruppe sind die Etablierung fortschrittlichster Experimental- und Analysentechnik für Hochtemperatur- und Hochdruckmes-sungen (KIVAN-Reaktor, Viskosimeter, thermooptische Messgeräte), insgesamt 42 wissenschaftliche Publikationen (Zeitschriften (peer-reviewed) und Beiträge bei internationalen Konferenzen) sowie die vermarktungsfähige Software Slag Viscosity Tool Box.

Ausgewählte Publikationen1. C. Schmetterer und P. J. Masset: Heat capacity of compounds in the CaO-SiO2 system – a

review, Journal of Phase Equilibria and Diffusion 33, 261–275, 2012.2. M. A. Duchesne u. a.: Slag viscosity modeling toolbox. Advances in Coal, Fuel 114, 38–43,

2013.3. L. Zhang u. a.: Thermodynamic description of the M2O-SiO2 (M=K, Na) systems, Computa-

tional Materials Science 66, 20–27, 2013.4. L. Zhang u. a.: Thermodynamic modeling of the CaO-SiO2-M2O (M=K,Na) systems. High

Temperature Materials and Processes 32, 223–228, 2013.5. A. Bronsch u. a.: Comparison of calculated and measured thermophysical slag properties:

viscosity and solid phases. Proceedings of 2013 International Conference on Coal Science & Technology, Pennsylvania, USA, 2013.

Nachwuchsgruppe Grenzflächenphänomene (Dr.-Ing. A. Richter3)Der Forschungsschwerpunkt der Nachwuchsgruppe Grenzflächenphänome-ne liegt in der Simulation thermochemischer Prozesse in Hochtemperatursys-temen. Hierzu zählen Untersuchungen der Wechselwirkungen von Partikeln (beispielsweise Kohle- oder Biomassepartikel) und umgebender Gasströmung einschließlich der chemischen Reaktionen an der Phasengrenze und in der Gasphase. Einen weiteren Schwerpunkt stellt die Modellierung des Asche-Schlacke-Verhaltens dar. Die Arbeiten basieren vorwiegend auf numerischen Simulationsverfahren, da die physikalischen Prozesse auf den sehr kleinen Längenskalen nur schwer experimentell erfasst werden können.

Das Ziel der Nachwuchsgruppe Grenzflächenphänomene liegt in der Ent-wicklung mathematischer Modelle, mit denen einzelne Prozesse, wie die Koh-lekonversion, zuverlässig und effizient vorhergesagt werden können. Diese Mo-delle werden einerseits zu selbstständigen Analyse- und Designwerkzeugen

3 Berufung des vorherigen Nachwuchsgruppenleiters Dr.-Ing. Petr Nikrityuk zum 1. Septem-

ber 2013 als Associate Professor an die University of Alberta (Kanada).

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1.3 Organisation des ZIK Virtuhcon

entwickelt (beispielsweise als Hilfestellung für den Anlagenbauer oder -betrei-ber) und andererseits als Teilmodelle für die Reaktor-Gesamtmodelle einge-setzt. Hierbei erfolgt eine enge, wechselseitige Zusammenarbeit mit den beiden anderen Nachwuchsgruppen. Die Arbeiten der Nachwuchsgruppe Grenzflä-chenphänomene wurden in 24 Zeitschriftenpublikationen (alle peer-reviewed), einem eigenen Buch und in mehr als 55 Konferenzbeiträgen publiziert. Die wissenschaftlichen Erfolge führten darüber hinaus zu vier Patentanmeldungen (siehe Anhang O) und zwei vermarktungsfähigen Softwareprodukten (Kohle-simulator, Schlackesimulator).

Ausgewählte Publikationen:1. P. A. Nikrityuk und B. Meyer, Editoren: Gasification Processes: Modeling and Simulation.

Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 1. Auflage, ISBN 978-3-527-33550-3.2. A. Richter u.a.: Three-dimensional calculation of a chemically reacting porous particle mo-

ving in a hot O2 /CO2 atmosphere, International Journal of Heat and Mass Transfer 83, 244–258, 2015.

3. F. Dierich und P. A. Nikrityuk.: A numerical study of the impact of surface roughness onheat and fluid flow past a cylindrical particle. International Journal of Thermal Sciences 65, 92–103, 2013.

4. P. A. Nikrityuk u. a.: Numerical study of the influence of heterogeneous kinetics on the car-bon consumption by oxidation of a single coal particle, Fuel 114, 88–98, 2013.

5. A. Richter und P. A. Nikrityuk: New correlations for heat and fluid flow past ellipsoidal andcubic particles at different angles of attack, Powder Technology 249, 463–474, 2013.


Organisationsstruktur des ZentrumsDie Organisationsstruktur des ZIK Virtuhcon als transdisziplinäre wissenschaft-liche Einrichtung (siehe Abbildung 5) hat sich bewährt. Die Ordnung und der Kooperationsvertrag des ZIK Virtuhcon regeln die nahtlose Einbindung in die vorhandenen Universitätsstrukturen bei vollständiger Wahrung der Eigenstän-digkeit des Zentrums. In den ersten beiden Jahren wurde die Struktur ent-sprechend des Erfahrungsgewinns weiter geschärft. Das betrifft die organi-satorische Zuordnung der Nachwuchsgruppen Multiphasige Stoffsysteme und Grenzflächenphänomene zur Professur EVT (B. Meyer) und die Zuordnung der Nachwuchsgruppe Reaktionsströmungssysteme zur Professur NTFD (C. Has-se). Dies stärkt die Vernetzung der beiden Professuren am Institut IEC.

Die erreichte internationale Spitzenposition verdankt das ZIK Virtuhcon zu einem wesentlichen Teil der effizienten Organisationsstruktur und der engen Zusammen-arbeit sowohl zwischen den Nachwuchsgruppen als auch mit den beteiligten Ins-tituten.

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Des Weiteren wurde die Vorstandsarbeit verschlankt, indem sie von dem Sprecher, dem stellvertretenden Sprecher und den drei Nachwuchsgruppen-leitern wahrgenommen wird und die Kooperation mit den beteiligten Instituten – mit Ausnahme zentraler strategischer Überlegungen – anlassbezogen erfolgt.

Neben der Passfähigkeit der Organisationsstruktur ist der zweite wichtige Faktor die thematische Passfähigkeit am technologieorientierten Institut IEC und die Ansiedlung am Institutsstandort. Die komplementäre Einbindung wei-terer Institute aus drei (der insgesamt sechs) Fakultäten schließt die enge Zu-sammenarbeit in Forschung und Lehre, den Austausch von Daten sowie ge-meinsame Publikationen ein. Ein Ergebnis der Schwerpunktsetzung ist der von der Professur NTFD (C. Hasse) und dem Beiratsmitglied von Virtuhcon, Professor Nagel von der Technischen Universität Dresden, 2014 eingerichtete Masterstudiengang Computational Science and Engineering. Mit dem Ziel der dauerhaften Schwerpunktsetzung soll die W2-Professur NTFD des Leiters der Nachwuchsgruppe Reaktionsströmungssysteme in eine W3-Professur aufge-wertet werden.4

4 Das Rektorat der TU Bergakademie Freiberg hat Ende 2014 der Bitte der Fakultät für Ma-

schinenbau, Verfahrens- und Energietechnik entsprochen, die W2-Professur für Numeri-

sche Thermofluiddynamik aufzuwerten und als W3-Professur auszuschreiben.

Abbildung 5:

Organisationsstruktur

des ZIK Virtuhcon

Fakultätender TUBergakademieFreiberg

Organisatorische Zuordnung

Kooperations-vertrag

Institut für Energieverfahrenstechnikund Chemieingenieurwesen

Professur EVT (B. Meyer) Professur NTFD (C. Hasse)

Beirat Vorstand

MultiphasigeStoffsysteme

Grenzflächen-phänomene

Reaktionsströ-mungssysteme

NachwuchsgruppenWissenschaftlicher Koordinator / ZIK-Büro

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Arbeitsweise des ZentrumsDurch die klare organisatorische und thematische Einbindung kann das ZIK Virtuhcon auf die umfangreiche wissenschaftliche Infrastruktur und das tech-nologische und organisatorische Know-how am Institut IEC und das der be-teiligten Institute zugreifen. Das ZIK Virtuhcon war damit von Beginn an hand-lungsfähig. Die örtliche Anbindung an das koordinierende Institut IEC sorgt außerdem für kurze Entscheidungswege bei administrativen Aufgaben, bei-spielsweise bei Personalfragen, Zuordnung von Kapazitäten, Infrastrukturnut-zung oder Finanzierungsfragen. Die Virtuhcon-Ordnung gewährleistet, dass die Nachwuchsgruppenleiter ihr eigenständiges wissenschaftliches Profil zur Vorbereitung einer erfolgreichen wissenschaftlichen Karriere entwickeln kön-nen. Außerdem können sich die Nachwuchsgruppen praktisch ausschließlich auf ihre wissenschaftliche Arbeit konzentrieren, d. h. die sonst übliche, mehr oder weniger intensive Einbeziehung in administrative und organisatorische Nebentätigkeiten entfällt. Dies trägt wesentlich zur Attraktivität für karrierebe-wusste Nachwuchswissenschaftler bei.

Die strategische Planung des ZIK Virtuhcon als eigenständiges Zentrum wurde auf der Basis des Strategiekonzepts von den universitären Partnern ge-meinsam mit den Nachwuchsgruppenleitern in jährlichen Sitzungen, anfangs auch häufiger, abgestimmt und fortgeschrieben und dem internationalen Beirat jährlich zur Begutachtung vorgelegt. Die Strategieanalyse und -vorbereitung erfolgte regelmäßig im kleinen Kreis zwischen Sprecher (Professor B. Meyer), stellvertretendem Sprecher (Professor M. Stelter), den drei Nachwuchsgrup-penleitern und dem wissenschaftlichen Koordinator. Zur thematischen Verflech-tung und zum zeitlich abgestimmten Vorgehen wurde im zweiten und dritten Jahr ein Masterplan erarbeitet, der für alle Nachwuchsgruppen einen verlässli-chen inhaltlichen und zeitlichen Rahmen vorgab. Wichtiger Grundsatz war und ist, dass den Nachwuchsgruppenleitern innerhalb dieses Rahmens weitestge-hende Freiheiten und schnelle Reaktionszeiten eingeräumt werden, beispiels-weise aufgrund neuer Erkenntnisse oder personeller Veränderungen, sodass diese eine eigenständige wissenschaftliche Strategie entwickeln und umsetzen können. Das ZIK-Büro mit dem wissenschaftlichen Koordinator, organisatorisch und technisch unterstützt durch das Institut IEC, hat die permanente Aufgabe, diesen Fortschreibungsprozess organisatorisch und inhaltlich zu begleiten und

Die strategische Beratung durch den hochrangig besetzten, internationalen Bei-rat führte zu einer Schärfung des Masterplans zur Umsetzung des Strategiekon-zepts und zur Schaffung der Voraussetzungen für eine dauerhafte Verstetigung als selbsttragendes Zentrum.

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1.4 Zusammengefasste Soll-Ist-Analyse

dessen Umsetzung zu kontrollieren. Anfangs wurden einmal im Monat und im eingeschwungenen Zustand alle zwei Monate eine Sitzung der Nachwuchs-gruppenleiter durchgeführt. Weitere Aufgaben des ZIK-Büros sind neben der Vernetzung innerhalb der Universität auch die externe Vernetzung mit der Wirt-schaft und der Wissenschaft sowie die Kommunikation in die Öffentlichkeit.

BeiratEine herausragende Bedeutung für die strategische Planung und die organi-satorische Umsetzung kommt dem mit hochrangigen Vertretern von Wissen-schaft und Wirtschaft besetzten internationalen Beirat zu (siehe Anhang I). Nach seinen Vorschlägen wurde die Doppelstrategie der sich ergänzenden grundlagenwissenschaftlichen Modellierung (Flamelet, OpenFOAM®) und der anwendungsbezogenen Simulation (ANSYS Fluent®), mit stärkerem Fokus auf industrielle Fragestellungen sowie die Schaffung einer Softwarebibliothek ent-wickelt. In seiner sechsten und letzten Sitzung am 17. Oktober 2014 konstatiert der internationale wissenschaftliche Beirat: „All members of the advisory board expressed their highest respect for the significant progress of the project. The collaboration between the project groups grew over the years into a most effec-tive task force that has met and exceeded their objectives. Through their effort, Virtuhcon is established and highly regarded by the scientific community. Indus-trial use of the developed tools is readily available for process optimization as well as the development of future design.“ (Sitzungsprotokoll im Anhang H.2).Mit dem ZIK Virtuhcon wurden wichtige Erfahrungen gesammelt, wie eine wis-senschaftlich eigenständige Einrichtung an einer technischen Universität zum Erfolg geführt und die Voraussetzungen für eine schrittweise dauerhafte Verste-tigung geschaffen werden können.


Das Strategiekonzept von 2008, ein international anerkanntes Innovationszen-trum für Hochtemperatur-Konversionsprozesse aufzubauen, wurde vollständig umgesetzt. Der eingeschlagene Weg hat vor dem Hintergrund der Energiewende eine neue gesellschaftliche Brisanz gewonnen. Mit seinen 24 Wissenschaftlern aus 14 Nationen hat sich das ZIK Virtuhcon aufgrund seiner Spitzenforschung in den letzten Jahren zu einem international anerkannten Technologiezentrum entwickelt. Die wissenschaftliche Eigenständigkeit der Nachwuchsgruppenlei-ter, die idealen Forschungsbedingungen und das familienfreundliche Klima an der TU Bergakademie Freiberg (seit 2014 Zertifikat „familiengerechte hoch-schule“) haben dabei signifikant zur Attraktivität des Forschungsstandorts bei-

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getragen. Das wissenschaftliche Ziel des Vorausdesigns von neuen Konzepten für Flugstromanwendungen und Hochtemperatur-Erdgasreformer mithilfe der Virtualisierung wurde vollständig erreicht. In Zusammenarbeit mit dem koordi-nierenden Institut IEC erfolgt in zahlreichen Projekten eine enge Kooperation mit der Wirtschaft, was einerseits den Wissenstransfer aus dem ZIK Virtuhcon in die Unternehmen sichert, und andererseits zur Stärkung des Forschungs-standorts Freiberg und nicht zuletzt des Technologiestandorts Deutschland beiträgt. Um diesen Prozess zu beschleunigen, wurde mit der DBI-Virtuhcon GmbH ein eigener Transferkanal geschaffen.

Potenzial besteht in der verbesserten Außenwahrnehmung, da das ZIK Virtuhcon bisher nicht von allen Wirtschaftsunternehmen als eigenständiges Zentrum, sondern als großes, befristetes Forschungsprojekt wahrgenommen wurde. Auch aus diesem Grund wurde die DBI-Virtuhcon GmbH als dauerhafte Struktur und Schnittstelle zur Wirtschaft eingerichtet.

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2 ZIK Virtuhcon 2025 – Strategie und Entwicklungskonzept

2.1 Perspektiven und Ziele des ZIK Virtuhcon

Das ZIK Virtuhcon am Forschungsstandort FreibergVor dem Hintergrund der Energiewende müssen klassische, energieintensive Prozesse durch deutlich effizientere, CO2-arme Technologien ersetzt, Stoffkreis-läufe geschlossen und verstärkt Sekundärrohstoffe genutzt werden. Zugleich verlangt die Industrie aufgrund stark schwankender Energie- und Rohstoffprei-se last- und einsatzstoffflexible Verfahren, damit weiterhin rentabel gearbeitet werden kann. Gefordert ist eine Verkürzung der heute noch langwierigen und kostenintensiven klassischen Technologieentwicklung. Hier ist es die Aufgabe des gesamten Forschungsstandorts Freiberg, neue Ansätze und flexible Lö-sungen für eine beschleunigte Technologieentwicklung bereitzustellen. Dem ZIK Virtuhcon kommt hierbei eine Schlüsselrolle zu. Durch den konsequenten Einsatz der Virtualisierung können neue Hochtemperaturprozesse entwickelt, virtuell erprobt und gezielt optimiert werden. Mithilfe der umfangreichen Labor-ausstattung und der großtechnischen Versuchsanlagen ist eine experimentelle Absicherung ausgesuchter Konzepte vom Labormaßstab bis zur Pilotanlage möglich. Im Ergebnis entstehen neue, problemangepasste, d. h. maßgeschnei-derte Lösungen, die direkt für bzw. mit den Industriepartnern realisiert wer-den – ein Ansatz, der die Innovationskraft des Technologiestandorts Deutsch-lands signifikant stärkt.

Wissenschaftlich-inhaltliche Ziele des ZentrumsDas erklärte Ziel von Virtuhcon ist der Aufbau der Virtualisierungskompetenz in einem breiten Spektrum von Hochtemperaturanwendungen. Während der Forschungsschwerpunkt in den letzten Jahren auf kohlenstoffbasierten Flug-stromanwendungen, beispielsweise Flugstromvergaser oder Erdgasreformer, lag, treten jetzt Systeme mit hohen Feststoffbeladungen in den Vordergrund, wie beispielsweise Wirbelschicht- und Festbettanwendungen. Beide Systeme sind sowohl in der chemischen Industrie als auch in der Metallurgie stark ver-breitet. Die in diesen Systemen auftretenden komplexen Mehrphasenprozesse stellen erhöhte Anforderungen an die Modellierung, die nur durch die in den letzten Jahren erarbeitete Modellierungskompetenz des ZIK Virtuhcon erfüllt werden können. Mit den am Institut IEC betriebenen Versuchsanlagen im Pi-lot- und Technikumsmaßstab Schlackebadvergaser (Inbetriebnahme 2014) und

Die wissenschaftliche Grundausrichtung des ZIK Virtuhcon, durch neue oder ver-besserte Hochtemperaturprozesse die Rohstoffeffizienz zu erhöhen und damit den CO2-Ausstoß zu verringern, hat sich bestätigt.

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COORVED-Reaktor (Inbetriebnahme 2013) stehen entsprechende großtechni-sche Anlagen zur Validierung zur Verfügung.

Ein wichtiger neuer Forschungszweig liegt in der metallurgischen Anwen-dung von Festbett- und Wirbelschichtsystemen. Hierzu zählen Recyclingpro-zesse und die Gewinnung von Nickelstein und Kupfer in Badschmelzöfen sowie die Gewinnung von Zink durch Röstung von Zinkkonzentraten in der Wirbel-schicht. Diese Prozesse zeichnen sich ebenfalls durch einen sehr hohen Ener-giebedarf und CO2-Ausstoß aus. Mit den am Institut für Nichteisen-Metallurgie und Reinststoffe der TU Bergakademie Freiberg (INEMET) angesiedelten Refe-renzanlagen IsaSmelt-Pilotanlage (bereits in Betrieb) und Wirbelschicht-Röster (angestrebte Investition im Rahmen der neuen Förderphase) rücken weitere industrienahe Prozesse ins Blickfeld der Prozessentwicklung. Mit der einzigar-tigen Großgeräteausstattung der beiden Institute IEC und INEMET verfügt der Forschungsstandort über die besten Voraussetzungen für die thematische Aus-weitung der Forschung für die kommenden zehn Jahre, vor allem im Hinblick auf die Verstetigung.

Das wissenschaftliche Alleinstellungsmerkmal, die Bereitstellung von Ent-wicklungs- und Auslegungswerkzeugen sowohl für Kohlenstoffsysteme als auch metallurgische Systeme, wird weiter geschärft. Der adressierte klassi-sche Markt umfasst vor allem a) die Prozessvirtualisierung (bspw. Auslegung, Verfahrensanalyse und Sicherheitsabschätzung), b) die Prozessoptimierung, c) die Technologieberatung (bspw. Auswahl Einsatzstoffe, Verfahrensauswahl und -anpassung, optimale Betriebsbereiche der Anlagen), d) die Erstellung und Vermarktung von Stoffdatenbanken sowie e) die Patentverwertung.

Für eine Reihe von Verfahren, wie beispielsweise Flugstrom-, Wirbelschicht-, Festbett- oder Schlackebadvergasung, besitzt das ZIK Virtuhcon bereits jetzt die Kompetenz, Prozesse gezielt zu optimieren und zu vermarkten. Hierfür sind drei Faktoren wesentlich: ein vertieftes Prozessverständnis, das durch die Vir-tualisierung der einzelnen Prozesse erlangt wird, eine enge Verzahnung von großtechnischem Experiment und Modellierung (Akzeptanz der Industrie) und angepasste mathematische Werkzeuge zur gezielten Optimierung von Prozes-sen. Die Prozesskompetenz wurde mit dem neuen SlimPOX-Konzept (siehe Ab-bildung 6) erfolgreich unter Beweis gestellt.

Die Virtualisierungskompetenz des ZIK Virtuhcon und die Technologieexpertise am Standort Freiberg erlauben die Erschließung eines breiten nationalen und internationalen Marktes.

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Vision von Virtuhcon bis 2025 unter Berücksichtigung der Entwicklungen in FreibergIm Hinblick auf die geforderten stoff- und lastflexiblen Verfahren hat sich das Zentrum die Aufgabe gestellt, schrittweise bis 2025 spezifische, an den jewei-ligen Einsatzstoff und die jeweiligen Rahmenbedingungen angepasste Verfah-ren zu entwickeln. Maßgeschneiderte Verfahren adressieren einen neuen Markt und decken den Bereich von kleinen dezentralen Einheiten bis hin zu Anlagen im Industriemaßstab ab. Diese Flexibilisierung stellt ein immenses Innovations-potenzial für die lokale Wirtschaft dar und stärkt die Wettbewerbsfähigkeit des sächsischen und deutschen Anlagenbaus am internationalen Markt.

Ein anderer neuer Markt liegt in der Entwicklung neuer Technologien durch kosteneffizientes Vorausdesign. Der Forschungsschwerpunkt wird dabei auf neuen, CO2-emissionsarmen Prozessen mit teilweiser Einkopplung erneuerba-rer Energien liegen. Hierzu zählen die Einkopplung von Elektroenergie (bei-spielsweise elektrisch beheizte Dampfreformer oder Plasmageneratoren), Po-wer-to-X-Konzepte und die CO2-freie Wasserstoffgewinnung aus Methan. Neue Konzepte entstehen dabei direkt am Rechner, werden mit geringstmöglichem Aufwand experimentell im Labormaßstab geprüft und anschließend mithilfe der Modellierung auf großtechnische Maßstäbe skaliert. Vier von Virtuhcon bean-tragte Patente und zusätzlich die Entwicklung neuer Konzepte für die Hoch-druck-Partialoxidation oder die Entwicklung neuer Quenchkonzepte bei der Flugstrom-Kohlevergasung unterstreichen die Kompetenz des ZIK Virtuhcon als Impuls- und Ideengeber für neue Technologien.5

5 Deutsche Patentanmeldungen Nr. 10 2014 211 757.7: Brennervorrichtung für die Partialoxi-

dation von gasförmigen Vergasungsstoffen; Nr. 10 2014 219 455.5: Verfahren und Vorrich-

tung zur Teilkonvertierung von Rohgasen der Flugstromvergasung.

Virtuhcon-Benchmark klassische Konfiguration SlimPOX Abbildung 6:

Entwicklung des

SlimPOX-Konzepts

durch virtualisie-

rungsgestützte

Optimierung

des Reaktionsraums

eines Hochdruck-

Methanreformers

(orange: Reaktions-

raum)

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2.2 Struktureller Forschungsansatz

Strukturelle und wirtschaftliche Ziele des ZentrumsDurch die Ausgründung der DBI-Virtuhcon GmbH im Juli 2014 wurde der Grundstein für ein dauerhaftes Forschungszentrum Virtuhcon gelegt. Der Ausbau als selbsttragendes kommerzielles Unternehmen soll Spitzenwissen-schaftlern jenseits universitärer Beschränkungen eine Langfristperspektive am Standort bieten.

Auch langfristig wird eine breite Grundlagenforschung mit Absicherung durch das Experiment direkt an der TU Bergakademie Freiberg er-folgen. Die Arbeitsteilung hat für beide Seiten Vorteile. Während die TU Bergaka-demie Freiberg mithilfe der DBI-Virtuhcon GmbH neue Forschungs- und Entwicklungsaufträge erhält, erfolgt die Vermarktung und Kommerzialisierung der Virtuhcon-Produkte durch die DBI-Virtuhcon GmbH. Durch das Betreiben der Akquise nicht nur für die eigenen, sondern auch für die Forschungs- und Entwicklungsaufgaben der TU Bergakademie Freiberg wird die enge Verbindung von DBI-Virtuhcon GmbH, dem ZIK Virtuhcon und der TU Bergakademie Freiberg erhalten. Das sichert den notwendigen Wis-sens- und Innovationsvorsprung des ZIK Virtuhcon für industrienahe Dienstleis-tungen, die Produktvermarktung sowie den Wissenstransfer in die Industrie.


MaßnahmenAuf Basis der Visionen und Ziele des ZIK Virtuhcon für die nächsten zehn Jah-re und in Zusammenarbeit mit den beteiligten Instituten wurde ein strukturier-ter Forschungsansatz entwickelt, der sich aus einer Reihe einzelner Bausteine bzw. Maßnahmen zusammensetzt, die in der Abbildung 8 aufgeführt sind. Im Mittelpunkt stehen die drei neuen Nachwuchsgruppen, wobei zwei Gruppen durch das BMBF und eine weitere Gruppe aus Mitteln des Freistaats Sachsen

Abbildung 7:

Zusammenwirken der

DBI-Virtuhcon GmbH

und der TU Bergaka-

demie Freiberg• Vermarktung• Verwertung• Akquise• Dienstleistung

• Grundlagenforschung• Großforschungsvorhaben• Gerätepark

DBI-Virtuhcon GmbH ZIK Virtuhcon an derTU Bergakademie Freiberg

Kooperation

Vertragsverhältnis

Der Erhalt des Know-hows ist zwingend notwendig, um das ZIK Virtuhcon, vor allem jenseits der Förderung durch das BMBF, dauerhaft zu etablieren.

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bzw. ESF-Mitteln finanziert werden sollen. Die grundlagenorientierte Forschung der ersten BMBF-Gruppe Mehrphasenmodelle konzentriert sich dabei auf die hochauflösende CFD-Modellierung (Computational Fluid Dynamics – numeri-sche Strömungsmechanik) von Hochtemperaturprozessen mit hohen Feststoff-beladungen, während die eher anwendungsbezogen arbeitende zweite BMBF-Gruppe Stoff- und Prozessanalyse die bestehende Messtechnik methodisch erweitert, um umfassend Prozess- und Stoffdaten für großtechnisch relevante metallurgische und kohlenstoffbasierte Prozesse bereitstellen zu können. Die dritte, Landes- bzw. ESF-geförderte Gruppe Prozessvirtualisierung erstellt in Zusammenarbeit mit den beiden BMBF-Gruppen einfache, nur teilweise auf CFD basierende Rechenmodelle, sowohl für sämtliche Referenzprozesse als auch für einzelne Versuchsanlagen. Im Ergebnis stehen effiziente Rechenmo-delle, die eine Analyse und Optimierung verfahrenstechnischer Prozesse einer-seits und eine verbesserte Stoffdatenanalyse andererseits ermöglichen, bereit.

Die Fortführung der etablierten Gruppen für die Weiterentwicklung und An-wendung der CFD-Modelle für Flugstromsysteme sowie die experimentelle Stoffdatengewinnung speziell für diese Systeme erfolgt an dem koordinieren-den Institut IEC im Rahmen von Drittmittelprojekten und durch Hochschulmittel.

Eine Versuchsanlage zur umfassenden Bestimmung der dringend erforderli-chen Hochdruck-Pyrolyse- und Reaktionskinetiken für Festbettsysteme soll als strategische Investition realisiert werden. Ein weiterer wesentlicher Baustein ist ein Verbundprojekt, mit dem der Virtuhcon-Ansatz am Beispiel der Entwicklung einer neuen Generation von Reaktoren für die Partialoxidation flüssiger und fes-

Abbildung 8:

Zukünftige

Themenfelder des

ZIK Virtuhcon

TechnologietransferIndustriegeförderte Projekte und Patentverwertung

VerbundvorhabenBMBF-gefördert

Strategische InvestitionBMBF-gefördert

Fortführungetablierte Gruppen

Drittmittelprojekte und Hochschulmittel

Nachwuchsgruppe Mehrphasenmodelle

BMBF-gefördert

Nachwuchsgruppe Stoff- und Prozessanalyse

BMBF-gefördert

Nachwuchsgruppe Prozessvirtualisierung

gefördert durch Freistaat Sachsen

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ter Vergasungsstoffe demonstriert werden soll. Mit diesem Verbundvorhaben kann das ZIK Virtuhcon erstmals seine Leistungsfähigkeit als Innovationsgeber und Technologievorausentwickler im großtechnischen Maßstab demonstrieren.

Der letzte Baustein ist der kontinuierliche Transfer der Virtuhcon-Ergebnisse in die regionale Wirtschaft. Dies erfolgt bereits durch eine Reihe bilateraler For-schungsvorhaben mit Industriepartnern und den beteiligten Instituten.

Fortführung der Forschungsaktivitäten der ersten FörderphaseDas geplante Fördervorhaben lässt sich nur durch eine Unterstützung und Zu-sammenarbeit mit den etablierten Nachwuchsgruppen der ersten Förderphase realisieren. Daher war ein erster und wichtiger Schritt die Verstetigung der be-stehenden Arbeitsgruppen und die Fortführung der erfolgreichen Zusammen-arbeit. Dies konnte durch die Unterstützung der TU Bergakademie Freiberg und des koordinierenden Instituts IEC realisiert werden. Der Leiter der Nach-wuchsgruppe Reaktionsströmungssysteme wurde bereits von Beginn an als W2-Professor für Numerische Thermofluiddynamik (NTFD) berufen. Im Rahmen von DFG-geförderten Forschungsvorhaben und durch Industrieprojekte wird die Gruppe für die Gesamtreaktor-Modellierung fortgeführt. Die Nachwuchs-gruppe Multiphasige Stoffsysteme wurde in die Abteilung Mineralstoffsysteme der Professur EVT (B. Meyer) überführt und mit Industrie-, BMWi- und BMBF-geförderten Drittmittelprojekten betraut. Die ehemals landesfinanzierte Nach-wuchsgruppe Grenzflächenphänomene wird durch den Freistaat Sachsen bis Juni 2015 in etwas verringertem Umfang weitergeführt und gleichzeitig in die Abteilung CFD-Modellierung von Hochtemperatur-Prozessen der Professur EVT überführt. Auch hier werden die Arbeiten im Rahmen von Industrie- und BMBF-geförderten Projekten im Bereich der CFD-Modellierung von Flugstromprozes-sen fortgeführt. Neben der CFD-gestützten Verfahrensanalyse stehen weiterhin Grenzflächenphänomene an reaktiven Einzelpartikeln im Vordergrund.

Hervorzuheben ist das BMBF-geförderte Projekt HITECOM bzw. HITECOM II, in dem in Kooperation mit dem ZIK ultra optics, Friedrich-Schiller-Universität Jena, die experimentelle und modellbasierte Grundlagenerforschung von Hochtemperatur-Konversionsprozessen reaktiver Partikel durch die beiden Ab-teilungen CFD-Modellierung von Hochtemperatur-Prozessen und Mineralstoff-systeme fortgeführt und durch neue Messkonzepte erweitert wird.

Ein entscheidender Erfolgsgarant in den letzten Jahren war die enge Zu-sammenarbeit der einzelnen Nachwuchsgruppen, die auch in Zukunft vollstän-dig in das ZIK Virtuhcon integriert sind. Dies beinhaltet einen permanenten Austausch von Modellen und Stoff- und Prozessdaten zwischen den einzelnen Arbeitsgruppen sowie die verstärkte gemeinsame Entwicklung von Modellen, die sich in der Vergangenheit als besonders effizient herausgestellt hat. Ein we-

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sentliches Alleinstellungsmerkmal ist dabei die arbeitsgruppenübergreifende Nutzung vorhandener Modelle und Daten.

Zusammenarbeit sämtlicher Arbeitsgruppen innerhalb des ZentrumsAuf Seiten der Industrie zeigt sich in den letzten Jahren ein steigender Bedarf an zuverlässigen Rechenmodellen für Flugstromanwendungen. Der daraus re-sultierende wachsende Forschungsbedarf erfordert die Fortführung und den Ausbau der etablierten Arbeitsgruppen. Die zukünftige Erweiterung der Virtuh-con-Strategie auf dichte, hochbeladene Kohlenstoffsysteme und metallurgische Anwendungen bedingt ebenfalls eine umfangreiche Grundlagenforschung und eine erweiterte Modellentwicklung. Die Modellierung dieser Systeme verlangt dabei zu einem großen Teil die Entwicklung neuer Lösungskonzepte. Eine einfa-che Erweiterung bestehender Modelle ist nicht möglich, jedoch können bereits entwickelte Teilmodelle weiter eingesetzt bzw. adaptiert werden. Dies begrün-det die Notwendigkeit der Etablierung von drei neuen Nachwuchsgruppen.

Es bleibt hervorzuheben, dass die Bearbeitung der neuen, weit gefassten Themenfelder nur mit der breiten Unterstützung durch die bereits etablierten Arbeitsgruppen und durch die vorhandene Infrastruktur des ZIK Virtuhcon re-alisierbar ist.

Basierend auf den positiven Erfahrungen aus den zurückliegenden Jahren wird konsequent der Zentrumsgedanke fortgeführt. Es erfolgt keine Bündelung der Daten und Modelle in einer Arbeitsgruppe oder Professur, sondern es findet eine gemeinschaftliche Verwertung und Vermarktung durch das ZIK Virtuhcon statt, wobei vermarktungsfähige Produkte primär durch die anwendungsnahen Nachwuchsgruppen Prozessvirtualisierung und Stoff- und Prozessanalyse ent-wickelt werden. Dieser Ansatz stärkt die Gleichstellung und die wissenschaft-liche Freiheit der einzelnen Arbeitsgruppen, was sich in der Vergangenheit als Garant für eine dynamische, hoch motivierte Forschungstätigkeit bewährt hat.

Zwei neue Forschungsansätze intensivieren dabei die Zusammenarbeit der neuen Arbeitsgruppen: Erstens wird die CFD-Modellierung konsequent für die Versuchsplanung und -auswertung eingesetzt, d. h. das Experiment liefert nicht nur einseitig Stoff- und Validierungsdaten für die CFD-Modellierung, son-dern die CFD ist aktiv in die experimentellen Arbeiten eingebunden. Zweitens wird es eine enge Zusammenarbeit zwischen einer grundlagenorientierten und einer anwendungsorientierten Modellierungsgruppe geben, d. h. es werden zwei Modellierungsansätze mit unterschiedlichen Zielstellungen verfolgt. Die

Die wissenschaftliche Eigenständigkeit der Nachwuchsgruppenleiter und der Zentrumsgedanke sind sich ergänzende Merkmale der Forschungsstrategie.

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grundlagenorientierte, hochaufgelöste Modellierung liefert Daten und Modelle für Teilprozesse in einer bislang unerreichten Qualitätsstufe, und ergänzt die experimentellen Validierungsdaten. Der aus der hohen Auflösung resultieren-de Rechenaufwand begrenzt die erzielbare Datenbasis auf ausgesuchte Teil-prozesse. Die zweite Gruppe leitet daraus deutlich vereinfachte Modelle als praxistaugliche Werkzeuge zur Prozessanalyse und Optimierung ab, und er-möglicht damit den Transfer der Virtuhcon-Ergebnisse in die Wirtschaft. Die dargestellten Ansätze erfordern die enge Zusammenarbeit der beiden Model-lierungsgruppen sowie der vowiegend experimentell arbeitenden dritten Grup-pe und einen kontinuierlichen gruppenübergreifenden Daten- und Modellaus-tausch.

Strukturelle Verankerung der NachwuchsgruppenDas Zentrum ist strukturell und organisatorisch am koordinierenden Institut IEC angesiedelt. Zur vertieften Zusammenarbeit mit den beteiligten Instituten er-folgt die Bearbeitung von Teilaufgaben jedoch direkt an den Instituten. So wer-den beispielsweise die experimentellen Untersuchungen der metallurgischen Prozesse vor Ort am Institut INEMET durchgeführt. Die Institute für Mechanik und Fluiddynamik, für Wärmetechnik und Thermodynamik, für Werkstoffwissen-schaft und für Eisen- und Stahltechnologie werden eng in die Stoffdatengewin-nung eingebunden. Wesentlich für die hochaufgelösten CFD-Simulationen und die Modellreduktion zur Prozessanalyse und -optimierung ist die Zusammenar-beit mit dem Institut für Informatik und dem Institut für Numerische Mathematik und Optimierung. Erst mit deren Kompetenz auf dem Gebiet des Hoch- und Höchstleistungsrechnens können effiziente, hochaufgelöste CFD-Simulationen realisiert werden.

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Reaktionsströmungssysteme

Grenzflächenphänomene

Multiphasige Stoffsysteme

Professur NTFD (C. Hasse)

Abt. CFD-Modellierung, Professur EVT (B. Meyer)

Abt. Mineralstoffsysteme, Professur EVT (B. Meyer)

Mehrphasenmodelle

Prozessvirtualisierung

Stoff- und Prozessanalyse

Abbildung 9:

Kontinuität und

Verstetigung des ZIK

Virtuhcon im Hinblick

auf die Vermarktung

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2.3 Nachwuchsgruppen


2.3.1 Nachwuchsgruppe Mehrphasenmodelle

ZieleDer Forschungsschwerpunkt der Nachwuchsgruppe Mehrphasenmodelle liegt auf der detaillierten Modellierung komplexer thermochemischer Mehrpha-senprozesse. Dies umfasst sowohl metallurgische als auch kohlenstoffbasier-te Prozesse. Die hochauflösende numerische Simulation von Teilbereichen in komplexen technischen Systemen erlaubt die Identifikation und Beschreibung neuer, funktionaler Zusammenhänge und stellt so erstmalig Simulationswerk-zeuge zur Verfügung, die auch komplexe Phasen- und Stoffumwandlungspro-zesse beschreiben können. Der damit erzielte Grad an Modellgenauigkeit er-laubt eine zuverlässige, rechnergestützte Erfassung bzw. Lösung einer Reihe von spezifischen Fragestellungen seitens der Industrie, beispielsweise zur Aus-bildung heterogener Produktströme in Badschmelzprozessen, der Abhängig-keit der Schlackeeigenschaften von Prozessgrößen in Schlackebadvergasern oder zum Agglomerationsverhalten reaktiver Kohlepartikel in Wirbelschichten. Gleichzeitig können neue bzw. verbesserte Mehrphasenmodelle an die Nach-wuchsgruppe Prozessvirtualisierung übergeben werden, die damit in die Lage versetzt wird, fortschrittliche Gesamtprozessmodelle zu entwickeln. Der ge-wählte Ansatz, der durch den Einsatz moderner Hochleistungsrechentechnik (HPC) möglich wird, erlaubt einen bis dato nicht erreichbaren Detaillierungs-grad. Durch die enge Zusammenarbeit mit der Nachwuchsgruppe Stoff- und Prozessanalyse können Modelle bereitgestellt werden, deren Zuverlässigkeit durch die Validierung an Modellprozessen und Referenzsystemen sicherge-stellt ist, mit der Erfahrung, dass die benötigten Materialeigenschaften und Re-aktionskinetiken „aus einer Hand“ kommen müssen.

Forschungsfragestellungen Simulation reaktiver Schmelzen in BadschmelzöfenDas Institut INEMET verfügt über die metallurgische Referenzanlage im Tech-nikumsmaßstab IsaSmelt-Pilotanlage (Kurzbeschreibung im Anhang A.1), die unter anderem zur Kupfergewinnung eingesetzt wird. Auf Basis numerischer Modelle sollen Teilprozesse in dieser Anlage, beispielsweise der Eintritt der

Der Nachwuchsgruppenleiter soll über eine ausgewiesene, internationale Ex-pertise auf dem Gebiet der Modellierung und numerischen Simulation reakti-ver Mehrphasenströmungen sowie über Erfahrungen im Hochleistungsrechnen verfügen.

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Überschall-Gasströmung in die Badschmelze und die blasenbehaftete Strö-mung in der Schmelze, realitätsnah beschrieben werden. Notwendige Materi-aleigenschaften der heterogenen Stoffgemische werden von der Nachwuchs-gruppe Stoff- und Prozessanalyse bereitgestellt.

Berechnung der Partikel-Partikel-Interaktion in dichten, heterogenen SystemenEine wissenschaftliche Fragestellung von breitem Interesse und hoher Komple-xität ist die detaillierte Beschreibung der Wechselwirkungen von (Kohle-)Partikeln unter Hochtemperaturbedingungen. Selbst bei Beschränkung auf Teilprozesse bzw. -systeme beträgt die Anzahl an zu berechnenden Partikeln mehrere Millio-nen und verlangt den Einsatz von Hochleistungsrechentechnik sowie eine kaska-denartige Modellvalidierung mit Datensätzen aus verschiedenen Versuchsstän-den. Die Teilmodelle werden von der Nachwuchsgruppe Prozessvirtualisierung zur Erstellung eines Gesamtmodells für die Referenzanlage COORVED-Reaktor als Anwendungsbeispiel eines Wirbelschichtreaktors genutzt.

Modellierung der Phasenumwandlungsprozesse in HochtemperatursystemenHochtemperatur-Festbettsysteme mit Schlackeabfluss zeichnen sich durch komplexe Phasenumwandlungsprozesse aus. Beispiele für solche Systeme sind metallurgische Hochöfen sowie die am Institut IEC betriebene Referenz-anlage Schlackebadvergaser (siehe Anhang A.4). Durch die Nachwuchsgrup-pe Mehrphasenmodelle sollen die grundlegenden chemisch-physikalischen Prozesse in den Teilbereichen eines Hochofens bzw. des analogen Schlacke-badvergasers mittels hochaufgelöster Simulationen abgebildet und mit expe-rimentellen Daten validiert werden. Die erstellten Teilmodelle werden von der Nachwuchsgruppe Prozessvirtualisierung für die Entwicklung eines realitätsna-hen Gesamtmodells für die Referenzanlage Schlackebadvergaser eingesetzt.

Kapazitäten, Kompetenzen, AusstattungAm Standort steht das HPC-Zentrum der TU Bergakademie Freiberg zur Ver-fügung, mit über 2.000 Intel-Xeon-E5-2630v2-Rechenkernen, mit dem ein we-sentlicher Teil der numerischen Arbeiten realisiert werden kann. Für darüber hinausgehende Anforderungen werden die Rechnungen am Zentrum für Infor-mationsdienste und Hochleistungsrechnen der Technischen Universität Dres-den sowie an den Rechenzentren Jülich und München durchgeführt. Zusätzlich stehen ein umfassender Lizenzpool mit 40 ANSYS Fluent®-Lizenzen und mehr als 650 Parallel-Lizenzen sowie hauseigene Simulationsmodelle, basierend auf der freien Softwarebibliothek OpenFOAM®, zur Verfügung.

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2.3.2 Nachwuchsgruppe Stoff- und Prozessanalyse

ZieleDie Nachwuchsgruppe Stoff- und Prozessanalyse hat die Aufgabe, präzise und zuverlässige Stoff- und Prozessdaten experimentell zu bestimmen, die u. a. für die numerische Simulation notwendig sind. Nur in Ausnahmefällen kann auf Literaturwerte zurückgegriffen werden, da für die zu simulierenden Prozess-bedingungen (hohe Drücke und Temperaturen) in der Regel keine Messdaten verfügbar sind. Die Komplexität der Prozesse erfordert sowohl die Bestimmung von Stoffgrößen für einzelne Phasen als auch die Charakterisierung der Wech-selwirkungen zwischen mehreren beteiligten Phasen. Einen weiteren Schwer-punkt bildet die Erfassung von validierungstauglichen Prozessdaten an den Referenzanlagen der Institute IEC und INEMET. Für die Bestimmung und Auf-bereitung geeigneter Datensätze ist tiefergehendes, in der Praxis erworbenes Technologiewissen gefragt.

Neben der Datenakquise für die Modellierungsgruppen besteht ein weite-res Ziel darin, für die Industrie bzw. den Anlagenbau direkt verwertbare Aus-legungsdaten bereitzustellen. Dabei kann im Wesentlichen auf die an den Virtuhcon-Instituten vorhandene bzw. in den letzten Jahren angeschaffte Ver-suchs- und Analysetechnik zurückgegriffen werden. Diese muss auf metallur-gische Themenstellungen erweitert werden. Weiterhin soll eine stärkere Verbin-dung zwischen Experiment und Modellierung hergestellt werden. Ein Beispiel stellt die Entwicklung von Viskositätsmodellen dar, die über die reine Messung hinaus die Viskositätsbestimmung für eine größere Bandbreite an Schlacken erlauben.

Eine Zielstellung mit hohem Innovationspotenzial betrifft die Etablierung ei-nes neuen Ansatzes der modellgestützten, experimentellen Datenbestimmung. Die Basis hierfür wurde in den letzten fünf Jahren gelegt. Der neue Ansatz besteht darin, die meist nicht direkt messbaren primären Stoff- und Prozessda-ten mithilfe der numerischen Modellierung aus den experimentell gewonnenen Effektivgrößen (beispielsweise Effektivkinetiken) zurückzurechnen. Die Modell-unterstützung ermöglicht erstmals, die gemessenen effektiven Stoffdaten in allgemeingültige, auf andere Systeme übertragbare Stoffdaten zu überführen.

Der Nachwuchsgruppenleiter mit ingenieurwissenschaftlichem Hintergrund soll über Erfahrungen auf dem Gebiet der experimentellen Stoffdatenbestimmung verfügen, technologisches Wissen zu metallurgischen Prozessen und Verga-sungsverfahren auch im internationalen Kontext besitzen und Erfahrungen aus der betrieblichen Praxis mitbringen.

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Forschungsfragestellungen StoffdatenEinen Schwerpunkt bildet die Bestimmung von Stoffdaten, entsprechend der Neuausrichtung auf metallurgische Prozesse und dichte Kohlenstoffsysteme (Wirbelschicht, Festbett). Unter Nutzung des aufgebauten Geräteparks sowie der Infrastruktur der Virtuhcon-Institute sollen kinetische Daten, beispielsweise für die Chalkopyrit-Umsetzung sowie die Vergasung gröberer Kokspartikel, er-fasst und modellgestützt ausgewertet werden.

ProzessdatenDie Erfassung von Prozessdaten zur Erstellung und Validierung der numeri-schen Modelle ist auf die Referenzprozesse ausgerichtet. Basis hierfür sind detaillierte Stoff- und Energiebilanzen. Die Nutzung der großmaßstäblichen Referenzanlagen bedingt die enge Zusammenarbeit der beteiligten Institute. Als innovativer Forschungsansatz soll die In-situ-Erfassung von Prozessdaten direkt aus den Prozessräumen (Verweilzeitverteilung, Konzentrations- und Tem-peraturprofile) vorangebracht werden. Zu diesem Zweck müssen neue Ana-lysen- und Messkonzepte erarbeitet und an den Referenzanlagen umgesetzt werden. Die genannten Aufgaben erfordern ein breites Technologiewissen.

Thermochemische ModellierungDurch thermochemische Modellierung werden die komplexen Mineralstoff-wechselwirkungen, wie beispielsweise Schmelzphasenbildung oder die Ein-bindung/Mobilisierung flüchtiger Komponenten und Spurstoffe modellmäßig zugänglich gemacht. Die in den letzten Jahren erstellte thermodynamische Stoffdatenbank wird hierfür genutzt und weitergeführt. Die noch fehlenden Mo-dellansätze für eine rechenzeiteffiziente Anbindung an die Simulationsmodelle der Nachwuchsgruppen Mehrphasenmodelle und Prozessvirtualisierung wer-den entwickelt.

Kapazitäten, Kompetenzen, AusstattungIn der ersten Förderphase konnte die Ausstattung an den beteiligten Instituten soweit komplettiert werden, dass die benötigte Analysen- und Experimental-technik zur Verfügung steht. Darunter fällt der Fallstromreaktor KIVAN für kine-tische Untersuchungen bis 100 bar, ein Hochtemperaturviskosimeter mit Atmo-sphärenkontrolle sowie thermooptische Mess-Systeme (Oberflächenspannung, Dichte). Die Analysentechnik wird für die bisher untersuchten oxidischen Syste-me (Aschen, Schlacken) beherrscht. Eine erweiterte Anwendung auf metallur-gische Systeme erfolgt in enger Zusammenarbeit mit den Virtuhcon-Instituten, insbesondere dem Institut INEMET und dem Institut IEST. Die Referenzanlagen,

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die von erfahrenen Betriebsmannschaften mit umfangreichem Anlagenwissen betreut werden, stehen am Institut IEC (COORVED-Reaktor, Schlackebadver-gaser) und am Institut INEMET (IsaSmelt-Pilotanlage, Wirbelschicht-Röster) zur Verfügung.

2.3.3 Nachwuchsgruppe Prozessvirtualisierung

ZieleDas zentrale Ziel der Nachwuchsgruppe Prozessvirtualisierung besteht in der Virtualisierung metallurgischer und kohlenstoffbasierter Hochtempera-turprozesse. Der Schwerpunkt liegt nicht auf hochaufgelösten, sondern auf vereinfachten Simulationsmodellen. Prozesse, die auf Partikelebene statt-finden, werden anhand validierter, vereinfachter bzw. globaler Modelle der Nachwuchsgruppe Mehrphasenmodelle integriert. Im Ergebnis entstehen Si-mulationsumgebungen, die eine realitätsnahe Analyse und Optimierung des gesamten Konversionsprozesses, beispielsweise des Vergasers oder des Bad-schmelzofens, erlauben. Ein darauf aufbauender Schwerpunkt sind Analyse- und Auswerteprogramme, die von der Nachwuchsgruppe Stoff- und Prozess-analyse für die Prozessdatenauswertung und Stoffdatengewinnung eingesetzt werden. Die Programme basieren auf vereinfachten Simulationsmodellen und/oder auf reduzierten globalen Modellen. Letztere entstehen in der Zusammen-arbeit mit der Nachwuchsgruppe Mehrphasenmodelle. Modellfehler werden in Kauf genommen, jedoch durch hochauflösende Simulationen und experi-mentelle Validierung (basierend auf Daten der Nachwuchsgruppe Stoff- und Prozessanalyse) quantifiziert und eingegrenzt. Letztendlich führt die Arbeit der Nachwuchsgruppe Prozessvirtualisierung zu effizienten Rechenmodellen, die von Industriepartnern erworben oder vom ZIK Virtuhcon für Dienstleistungen im Bereich Prozessoptimierung und Vorausdesign eingesetzt werden können.

AufgabenGesamtmodell BadschmelzofenDas Ziel ist ein CFD-basiertes Rechenmodell für Badschmelzöfen. Experimen-telle Daten aus den Versuchsfahrten der IsaSmelt-Pilotanlage (Kurzbeschrei-bung im Anhang A.1) dienen dabei der Überprüfung des Rechenmodells, das

Als Leiter der Nachwuchsgruppe Prozessvirtualisierung wird ein Verfahrenstech-niker, Maschinenbauer oder Mathematiker gesucht, der auf dem Gebiet der ma-thematisch-physikalischen Beschreibung von reaktiven Mehrphasensystemen über eine international ausgewiesene Expertise verfügt.

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die Antwort auf industrierelevante Fragestellungen geben soll, beispielsweise zur optimalen Position der Sauerstofflanze zur Vermeidung eines Schmelztie-geldurchbrands oder zur Optimierung der Betriebsparameter für die Maximie-rung der Energieeffizienz.

CFD-basierte Lösungsansätze für WirbelschichtsystemeFür Wirbelschichtsysteme (Referenzanlage COORVED-Reaktor, siehe Anhang A.3) soll ein zuverlässiges Gesamtmodell unter Nutzung sogenannter Kontinu-umsansätze entwickelt und anhand von Versuchsdaten validiert werden. Das Modell muss eine effiziente und robuste Vorausberechnung der Fluidisierungs-zustände in Wirbelschichtreaktoren zulassen, um eine umfassende Prozessana-lyse neuer Konzepte zu ermöglichen und weitere Entwicklungspotenziale aufzu-zeigen.

Modellierung von FestbettsystemenVon der Nachwuchsgruppe soll ein CFD-Gesamtmodell der großtechnischen Festbett-Referenzanlage Schlackebadvergaser (siehe Anhang A.4) unter Ver-wendung von Daten des Festbettsimulators (siehe Kapitel 2.5) erstellt und an-hand experimenteller Daten von Versuchsfahrten validiert werden. Das CFD-Modell für Festbettsysteme muss die zuverlässige Vorhersage der variablen Stoff- und Temperaturverteilung entlang des Reaktors gewährleisten und den Schlackeabfluss durch den Ringbrenner exakt beschreiben, um letztendlich eine Optimierung von industriellen Verfahren zur stofflichen Nutzung schwieri-ger Rohstoffe zu ermöglichen.

Modellgestützte VersuchsauswertungMithilfe der numerischen Modellierung werden komplette Versuchsanlagen modelliert, um damit eine fortgeschrittene, verbesserte Auswertung der expe-rimentell zugänglichen Daten zu ermöglichen. Zum Beispiel sollen die weitest-gehend unbekannten Strömungsverhältnisse heißer, reaktiver Gas-Feststoff-Strömungen modellmäßig erfasst werden. Die modellgestützten Experimente sind ein Alleinstellungsmerkmal des ZIK Virtuhcon, deren Leistungsfähigkeit an Versuchsanlagen der Institute IEC, INEMET und weiterer, eingebundener Institute demonstriert werden soll.

Kapazitäten, Kompetenzen, AusstattungIm Gegensatz zu den anderen Nachwuchsgruppen steht bei der Gruppe Prozessvirtualisierung nicht die Hochleistungsrechentechnik im Vordergrund. Dennoch ist aufgrund der Vielzahl an Modellen und Parametern ein erheblicher Rechenaufwand erforderlich, der überwiegend mit dem Rechencluster des Insti-

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tuts IEC abgedeckt wird, das über neueste Intel-Xeon-10-Core-Prozessoren (E5-2680v2) mit insgesamt 240 Rechenkernen verfügt. Für die Nachwuchsgruppe Mehrphasenmodelle steht ein umfangreicher Lizenzpool zur Verfügung. Darüber hinaus werden die Simulationswerkzeuge, die bereits im Ergebnis des ZIK Virtuh-con entstanden sind, weiterentwickelt. Als Beispiele können der Kohlesimulator (Partikellöser), der Schlackefilmsimulator oder erste eindimensionale Modelle von Festbettvergasern genannt werden.

2.3.4 Vernetzung zwischen den Nachwuchsgruppen

Ein Maß für die industrielle Anwendungsreife virtueller Hochtemperatur-Kon-versionsprozesse ist der experimentelle Nachweis der Praxistauglichkeit. Die stufenweise Verbindung von Modell und realem Prozess bzw. Experiment stellt die innere Vernetzungsmatrix des ZIK Virtuhcon dar. Die Erfassung der Pro-zessdaten von großtechnischen Referenzprozessen erfolgt durch die Nach-wuchsgruppe Stoff- und Prozessanalyse, die auch die zugehörigen Material-eigenschaften und Reaktionskinetiken „aus einer Hand“ bereitstellt. Auf Basis dieser Daten führt die Nachwuchsgruppe Mehrphasenmodelle hochaufgelöste Simulationen durch. Sie liefern den Zugang für ein vertieftes Prozess- und Ver-fahrensverständnis.

Mit den physikbasierten Modellen der hochaufgelösten Modellierung wird die Nachwuchsgruppe Prozessvirtualisierung letztendlich in die Lage versetzt, vereinfachte Rechenmodelle zu erstellen, die die konkreten Fragestellungen der Industrie zur Prozessoptimierung und zur Technologieentwicklung der Hochtemperatur-Konversionsprozesse beantworten können. Dieser vernetzte Ansatz des virtuellen Vorwärtsdesigns, der die wissenschaftliche Strahlkraft des ZIK Virtuhcon begründet hat, ist einzigartig.

Die Nachwuchsgruppen sind über den realen Prozess bzw. das Experiment und den virtuellen Prozess miteinander verzahnt. Der Weg führt vom (großmaßstäbli-chen) Experiment und der hochaufgelösten Simulation zum vereinfachten nume-rischen Gesamtmodell, und vom Gesamtmodell zur modellbasierten Stoff- und Prozessanalyse.

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2.4 Skizze des Verbundvorhabens HITEGAS VD

Mit dem Verbundvorhaben HITEGAS VD (High Temperature Syngas Process, Virtuhcon Designed) soll die Marke Virtuhcon Designed (VD) für das Vor-wärtsdesign marktreifer Technologien zur Synthesegaserzeugung aus flüs-sigen und festen Energieträgern etabliert werden. Ausgangspunkt sind die bisherigen Forschungen des ZIK Virtuhcon zur Hochdruck-Partialoxidation von Erdgas und deren Ergebnisse. Die numerische Simulation des eigenen, großmaßstäblichen Technikumsreaktors (HP-POX-Anlage, max. 5 MWth, max. 100 bar, max. 1.500 °C) hat gezeigt, dass die Leistungsfähigkeit deutlich ge-steigert oder das Reaktorvolumen bei gleicher Leistung entsprechend ver-ringert werden kann. Auf Basis dieser Erkenntnisse wurden die Reaktor- und Brennergeometrie modifiziert. In zwei Versuchsfahrten im August und De-zember 2014 konnte eine auf den Reaktionsraum bezogene, fünffach höhere spezifische Leistung nachgewiesen werden, ohne dass reaktionstechnische Grenzen erkennbar geworden wären. Im Ergebnis wurden zwei Patente6 an-gemeldet.

Ziel ist es nunmehr, das für die Erdgasspaltung entwickelte neue Brenner- und Plugflow-Reaktordesign auf die Öl- und Kohlevergasung zu übertragen. Dazu wird das Verbundvorhaben HITEGAS VD angestrebt, das die Entwicklung eines Baukastens der Hochtemperatur-Synthesegaserzeugung bis zur Markt-reife ermöglicht. Mit dieser Innovation kann die Leistung der aktuell betriebenen Vergasungsreaktoren um mindestens 20 bis 30 Prozent erhöht werden. Durch die Leistungssteigerung können einzelne Reaktoren in einem Reaktorverbund eingespart und die Investitions- und Betriebskosten signifikant gesenkt wer-den. Das Verbundvorhaben kann Anfang 2017 beginnen.

Das modellgestützte Design des neuen Reaktorkonzepts wird zunächst für flüssige Vergasungsstoffe in der vorhandenen HP-POX-Anlage erprobt. Ge-genstand der ersten Phase ist die vergleichsweise einfache Spaltung von leich-tem Heizöl. In der zweiten Phase wird das Konzept auf die Spaltung schwerer Erdölrückstände ausgeweitet. Für die Flugstromvergasung von Kohle, für die

6 Deutsche Patentanmeldungen Nr. 10 2014211755.0: Vergaserkopf und Verfahren für die

Partialoxidation von gasförmigen und flüssigen Kohlenwasserstoffen; Nr. 10 2014211757.7:

Brennervorrichtung für die Partialoxidation von gasförmigen Kohlenwasserstoffen.

Das Verbundvorhaben soll das Potenzial des Virtuhcon-Ansatzes – die beschleu-nigte Technologieentwicklung durch virtuelles Vorwärtsdesign – mit der Entwick-lung und Erprobung eines marktreifen, neuen Reaktordesigns demonstrieren.

2.4 Skizze des Verbundvorhabens HITEGASVD

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2.4 Skizze des Verbundvorhabens HITEGASVD

keine eigene Versuchsanlage zur Verfügung steht, wird das neue Design unter modellhaften Bedingungen simuliert und getestet.

Partner des Verbundvorhabens HITEGASVD sind die aus dem Deutschen Brennstoffinstitut DBI hervorgegangenen Freiberger Hightech-Unternehmen Thermische Apparate Freiberg GmbH TAF (Unternehmen der Pörner Gruppe) und die DBI Gas- und Umwelttechnik GmbH, DBI GUT. Aufgrund des zu erwar-tenden hohen Marktpotenzials der angestrebten Technologieentwicklung wird der Ausarbeitung einer effizienten und ausgewogenen Strategie zur Sicherung und Verwertung von Schutzrechten eine besondere Bedeutung beigemessen. Für die Vermarktung der international zu sichernden Schutzrechte der neuar-tigen Reaktoren für Öl und Kohle wird im Rahmen des Verbundvorhabens aus der DBI-Virtuhcon GmbH heraus ein Joint Venture gegründet, bestehend aus den Mehrheitseignern DBI-Virtuhcon GmbH (für das modellgestützte Design), DBI GUT (für optische Sondentechnik) und TAF GmbH (für Brennerfertigung). Die Zusammenarbeit mit dem Institut IEC (hauptsächlich Brennertestung) wird in einem Kooperationsvertrag mit der TU Bergakademie Freiberg geregelt. Das Verbundvorhaben soll eine Laufzeit von vier Jahren haben (Abbildung 10).

Die Aufgaben des ZIK Virtuhcon in enger Kooperation mit dem Institut IEC gliedern sich in die Simulationsarbeiten sowie die Entwicklung der daraus ab-geleiteten neuen Reaktor- und Brennergeometrien, die Umsetzung der neuen Reaktordesigns an der HP-POX-Anlage sowie die Durchführung der Versuchs-fahrten mit anschließender Auswertung und Modellvalidierung. Das zur Durch-führung der Versuchsfahrten benötigte Betriebspersonal wird vom Institut IEC gestellt. Die Thermische Apparate Freiberg GmbH wird auf Basis ihrer langjäh-rigen Erfahrung die detaillierte Brennerentwicklung übernehmen, wobei ver-schiedene Ansätze (wassergekühlte und vollmetallische Brenner sowie Brenner mit keramischer Schutzschicht) verfolgt werden. Der DBI Gas- und Umwelttech-nik GmbH obliegt die Weiterentwicklung der optischen In-situ-Messtechnik OPTISOS®. Diese muss für den Einsatz unter den geänderten Prozessbedin-gungen modifiziert werden, um die Flammenkonturen und die Temperaturver-teilung zu erfassen.

Aufgrund der Modellierungskompetenz am ZIK Virtuhcon und den IEC-ei-genen, großmaßstäblichen Testmöglichkeiten werden die Erfolgsaussichten

Abbildung 10:

Zeitlicher Ablauf des

Verbundvorhabens

HITEGAS VD

2017Simulationen, Übertragung der Ergebnisse von Erdgas auf leichtes und schweres Heizöl

2018simulationsgestützte Brennerentwicklung und -testung für leichtes Öl, Vermarktungspaket für leichtes Öl

2019simulationsgestützte Brennerentwicklung und -testung für schwere Erdölrück-stände, Vermarktungspaket für schwere Erdölrückstände

2020simulationsgestützte Brenner- und Reaktionsraumentwicklung für eine Weltmarkt-Steinkohle

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2.5 Ausbau der Infrastruktur

außerordentlich hoch eingeschätzt. Die Zusammenarbeit mit den langjährigen Partnern aus der regionalen Wirtschaft schafft die Basis für eine erfolgreiche Entwicklung und Vermarktung. Schließlich wird durch das Verbundvorhaben der strukturierte Virtuhcon-Ansatz des Vorwärtsdesigns bei der Entwicklung neu-er technologischer Konzepte nachgewiesen. Das mit den regional ansässigen Unternehmen angestrebte Verbundvorhaben wird einen wesentlichen Beitrag zur Weiterentwicklung und praktischen Umsetzung der erzielten Forschungs-ergebnisse zu Technologieinnovationen leisten. Einschließlich der Eigenbetei-ligung der Verbundpartner wird der Finanzierungsbedarf auf 6,0 Mio. € ge-schätzt (Anhang M.1).

2.5 Ausbau der Infrastruktur

Strategische Investition FestbettsimulatorDie strategische Investition Festbettsimulator ist eine Vorschaltinvestition, um die Referenzanlage Schlackebadvergaser als einen Vertreter der Gegenstrom-Festbettverfahren erfolgreich im numerischen Modell abbilden zu können. Auf-grund der halbindustriellen Größe der Referenzanlage Schlackebadvergaser (max. 10 MWth, max. 40 bar Betriebsdruck, Korngröße bis 10 mm) und den sehr aufwendigen Testläufen können die für die Modellentwicklung notwendigen Stoff- und Prozessdaten nur mit hohem finanziellen, technischen und personel-len Aufwand an dieser Anlage gewonnen werden. Der am Institut IEC vorhan-dene Analyse- und Gerätepark ist ebenfalls nicht geeignet, da verfahrensbe-dingt Partikelgrößen von bis zu 10 mm unter Hochdruckbedingungen nicht im Labormaßstab untersucht werden können.

Die Lösung liegt im Aufbau und Betrieb eines Festbettsimulators im Tech-nikumsmaßstab, welcher für Partikel bis 10 mm geeignet ist. Die Gestaltung erfolgt derart, dass die unterschiedlichen, in Festbettvergasern auftretenden Reaktionszonen sehr realitätsnah nachgebildet und messtechnisch erfasst werden können. Daraus abgeleitete Umsatzkinetiken sowie Druckverlustcha-rakteristiken bilden die Basis für eine erfolgreiche numerische Modellierung. Die finale Validierung der numerischen Festbettmodelle erfolgt dann an der Referenzanlage Schlackebadvergaser. Demnach liefert der Festbettsimulator die Detaildaten zu den unterschiedlichen Reaktionszonen in hoher Auflösung,

Die strategische Investition wird maßgeblich zur Etablierung des ZIK Virtuhcon als international führendes Zentrum im Bereich der Virtualisierung von Festbett-reaktoren beitragen.

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2.6 Ausbildung,QualifizierungundNachwuchssicherung

Qualität und Umfang, wohingegen der Schlackebadvergaser letztlich das Re-sultat aus den Wechselwirkungen der unterschiedlichen Reaktionszonen wie-dergibt und für den großtechnischen Nachweis der Gültigkeit der Prozessvirtu-alisierung sowie der Stoff- und Prozessdatenerfassung unerlässlich ist.

Gegenüber dem Schlackebadvergaser erlaubt der Festbettsimulator, die jeweiligen Reaktionszonen getrennt zu erfassen und zu bilanzieren. Der ge-genüber dem Schlackebadvergaser erhöhte Betriebsdruck (60 statt 40 bar) garantiert die Zukunftsfähigkeit des Versuchsstands, da der Trend zu höhe-ren Prozessdrücken anhält. Die finale Datenbasis erlaubt eine sehr detaillier-te und realitätsnahe numerische Simulation in bisher nicht erreichter Qualität. Aufgrund der verfahrensbedingten Parallelen können die experimentellen Un-tersuchungsmethoden und numerischen Modelle auf metallurgische Prozes-se, beispielsweise den Hochofenprozess, übertragen werden. Somit trägt die strategische Investition Festbettsimulator zur Etablierung der Spitzenforschung bei Hochtemperatur-Konversionsprozessen auf höchstem internationalem Niveau bei.

Die Kosten für den Versuchstand sowie dessen Einbindung in die Infrastruk-tur vor Ort (insbesondere Medienversorgung und Abgasnachverbrennung) werden auf 1,8 Mio. € geschätzt. Die Kostenschätzung ist im Anhang M.1 auf-geschlüsselt. Der Betrieb sowie die Datenauswertung werden über die Nach-wuchsgruppe Stoff- und Prozessanalyse in Zusammenarbeit mit dem Institut IEC abgesichert. Die Verwertung der Messdaten zur Erstellung des numeri-schen Modells erfolgt durch die Nachwuchsgruppe Prozessvirtualisierung. Die Investition wird für 2017 angestrebt und kann innerhalb eines Jahres realisiert werden.


Ausbildung von Nachwuchswissenschaftlern

Eine vorrangige Aufgabe des ZIK Virtuhcon ist die Ausbildung hochqualifizier-ter Nachwuchskräfte. Mit der Bereitstellung einer exzellenten Forschungsinfra-struktur, der Schaffung einer internationalen Plattform für den Wissenstransfer, basierend auf der jährlichen Virtuhcon-Konferenz und den regelmäßig statt-findenden Virtuhcon-Seminaren und -Workshops, sowie der systematischen

Durch die strukturierte, industrienahe Ausbildung stellt das ZIK Virtuhcon hoch-qualifizierte Fach- und Führungskräfte für die Wirtschaft bereit und leistet damit einen wichtigen Beitrag zur Reduzierung des Fachkräftemangels in Deutschland.

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Betreuung und dem Mentoring durch die Nachwuchsgruppenleiter und Pro-fessoren der beteiligten Institute, werden den Nachwuchswissenschaftlern bestmögliche Rahmenbedingungen für die wissenschaftliche Qualifizierung auf international höchstem Niveau geboten. Gemäß dem Leitbild der TU Berg-akademie Freiberg, Theoria cum praxi (Theorie für die Praxis), wird dabei der Einbeziehung der Wirtschaft in die anwendungsorientierte Ausbildung eine be-sondere Bedeutung beigemessen.

Das ZIK Virtuhcon leistet mit der Qualifizierung von Spitzennachwuchskräften einen sichtbaren Beitrag zur Reduzierung des zunehmenden Fachkräfteman-gels in ingenieurswissenschaftlichen und naturwissenschaftlichen Bereichen. Andererseits bietet das ZIK Virtuhcon auch den jungen Nachwuchsforschern, durch die praxisbezogenen Forschungsarbeiten und die enge Verzahnung mit Unternehmen, hervorragende persönliche Karriereaussichten für eine spätere Tätigkeit in verantwortungsvollen Führungspositionen in der Wirtschaft und Wis-senschaft.

Konzept zur MitarbeitergewinnungDie bisherige Strategie des ZIK Virtuhcon, durch exzellente Rahmenbedingun-gen und höchste Qualität in der Forschung internationale Spitzenforscher zu gewinnen, hat sich bewährt, wie die Besetzung des Zentrums in den letzten Jahren mit Nachwuchswissenschaftlern aus insgesamt 14 Nationen belegt. Zu-künftig soll diese Strategie fortgeführt und ausgebaut werden.

Bereits jetzt, im Vorfeld der nächsten Förderphase des ZIK Virtuhcon, läuft die Anwerbung hoch talentierter Nachwuchswissenschaftler, beispielsweise über bestehende nationale und internationale Netzwerke des ZIK Virtuhcon. Ande-rerseits werden herausragende Wissenschaftler, die in den vergangenen fünf Jahren maßgeblich zum Aufbau der internationalen Spitzenkompetenzen am ZIK Virtuhcon beigetragen haben, in Projekten am Institut IEC gehalten. Da-nach kann ihnen eine Langfristperspektive durch die Integration in Strukturen der DBI-Virtuhcon GmbH geboten werden. Für die Mitarbeitergewinnung und -auswahl sind die Nachwuchsgruppenleiter zuständig. Hohe Bedeutung wird der Auslandserfahrung der Bewerber und der angestrebten Internationalität der Nachwuchsgruppen beigemessen.

Die hervorragenden Rahmenbedingungen für die Forschung und die anwen-dungsorientierte Qualifizierung erhöhen die Attraktivität des ZIK Virtuhcon für in-ternationale Spitzennachwuchsforscher.

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Familienfreundlichkeit und GleichstellungDie TU Bergakademie Freiberg steht für die Vereinbarkeit von Studium, wissen-schaftlicher Laufbahn, Berufstätigkeit und Familiengründung sowie der Wahr-nehmung familienbezogener Verpflichtungen. Für dieses Ziel engangiert sich die Universität im Rahmen verschiedener Aktivitäten und Netzwerke.

Besonders willkommen sind Bewerbungen qualifizierter Frauen. Die Träger-institution TU Bergakademie Freiberg mit ihrem technisch-naturwissenschaft-lich geprägten Profil strebt eine Erhöhung des Frauenanteils in Lehre und For-schung an. An der TU Bergakademie Freiberg wird ein Gleichstellungskonzept umgesetzt, das u. a. folgende Maßnahmen zur Gleichstellung von Frauen und Männern bei ihrer beruflichen Entwicklung und zur besseren Vereinbarkeit von Beruf und Familie im akademischen Umfeld vorsieht:• Weiterbildungskurse der Graduierten- und Forschungsakademie zur Förde-

rung der Bildungspotenziale von Nachwuchswissenschaftlerinnen• Mentoring-Programm zur Vorbereitung von Nachwuchswissenschaftlerinnen

für künftige Führungspositionen durch das Career Center• gut ausgebautes Angebot an Kinderbetreuungsmöglichkeiten der TU Berg-

akademie Freiberg, die 2014 mit dem Zertifikat „familiengerechte hoch-schule“ ausgezeichnet wurde

• Zugang zu alternativen Betreuungsangeboten im Rahmen des Engage-ments der Universität im „Freiberger Bündnis für Familienfreundlichkeit“

• Umsetzung der Forschungsorientierten Gleichstellungsstandards der DFG, Abschlussbericht Januar 2013, positive Bewertung (Stadium 3)

Diese etablierten Maßnahmen werden vom ZIK Virtuhcon aufgegriffen und im Gesamtkontext der Gleichstellungsarbeit an der TU Bergakademie Freiberg weiterentwickelt.

Karriereperspektiven Da das ZIK Virtuhcon als anwendungsorientiertes Forschungszentrum mit der Wirtschaft im Wettbewerb um die besten Köpfe steht, sind neben monetären Anreizen auch attraktive Rahmenbedingungen hinsichtlich der zukünftigen Karrierechancen wichtig. In finanzieller Hinsicht wird dem durch die weitge-hende Ausreizung der Spielräume, die durch den Tarifvertrag des öffentlichen Dienstes gegeben sind, entsprochen. Gleichzeitig wird das Prinzip einer leis-tungsbezogenen Entlohnung umgesetzt. Um den besonders befähigten Mitar-beitern eine Langfristperspektive für die akademische Laufbahn zu eröffnen, werden vom Rektorat der TU Bergakademie Freiberg die Möglichkeiten für die Einrichtung einer Juniorprofessur (mit Option zur späteren Überführung in eine W2-Professur) für einen der Nachwuchsgruppenleiter geprüft. Darüber hinaus stellt das ZIK Virtuhcon mit seinem exzellenten internationalen Ruf ein Sprung-

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2.7 Organisation und Qualitätssicherung

brett für eine erfolgreiche akademische Laufbahn dar, wie dies in den letzten fünf Jahren bereits an mehreren Beispielen verdeutlicht wurde.

2.7 Organisation und Qualitätssicherung

Verankerung des ZIK Virtuhcon bei der TrägerinstitutionDie strukturelle Verankerung des ZIK Virtuhcon am koordinierenden Institut IEC hat sich in den vergangenen fünf Jahren bewährt und soll zukünftig beibehal-ten werden. Alle beteiligten Institute des ZIK Virtuhcon haben ihre Bereitschaft bestätigt, die Virtuhcon-Wissenschaftler in allen Belangen zu unterstützen, bei-spielsweise durch die Ermöglichung der Mitnutzung der Forschungsinfrastruk-tur. Die bisherigen Erfahrungen haben gezeigt, dass der aktuelle Virtuhcon-Vor-stand mit zwölf Vorstandsmitgliedern zu groß ist, was eine effiziente Ausübung der Aufgaben des Vorstands erschwert. In Zukunft ist eine Begrenzung auf maximal fünf Vorstandsmitglieder (Sprecher, stellvertretender Sprecher, Leiter der neuen Nachwuchsgruppen) vorgesehen. Die Zusammensetzung des Bei-rats wird im Wesentlichen beibehalten, wobei der Personenkreis geringfügig erweitert wird, um der modifizierten thematischen Ausrichtung des zukünftigen ZIK Virtuhcon Rechnung zu tragen.

Konzept zur wissenschaftlichen QualitätssicherungDie jährliche Evaluierung der Forschungsleistung von Virtuhcon durch den Bei-rat sichert die Beibehaltung der hohen wissenschaftlichen Qualität. Wichtige Erfolgsindikatoren stellen Veröffentlichungen in angesehenen internationalen Fachzeitschriften, abgeschlossene Promotionen sowie eingeworbene bzw. mitinitiierte Drittmittelprojekte dar. Durch regelmäßig stattfindende Doktoran-denseminare des ZIK Virtuhcon sowie durch die Teilnahme an internationalen Konferenzen und Workshops wird eine Kontrolle und fachliche Unterstützung zur Sicherstellung des Promotionsfortschritts der Nachwuchswissenschaftler gewährleistet.

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Weiterentwicklung des Strategiekonzepts der TU ... · IMPRESSUM Herausgeber TU Bergakademie Freiberg ZIK Virtuhcon Fuchsmühlenweg 9 09599 Freiberg Autoren des weiterentwickelten