Wasserstoff
Kurzfassung
Neuartige Technologien für nachhaltige wasserstoffbasierte Energiesysteme
Wir entwickeln und optimieren Komponenten und Systeme sowohl für die Produktion, Speicherung und Verteilung als auch für die energetische und stoffliche Umwandlung von Wasserstoff. Von der Elektrolyse über die Druckgas-, Kryotanksysteme und Tankstellen bis zu Brennstoffzellensystemen (inklusive der Wasserstoffkonditionierung in Fahrzeugen und Flugzeugen) betrachten wir zahlreiche Systeme entlang der Wertschöpfungskette.
H2-Speicherung und Verteilung
Tankstellenkonzepte und Betankungsprozesse
Wir vergleichen, bewerten und optimieren Systemtopologien sowie Betriebsstrategien von Wasserstofftankstellensystemen. Zu diesem Zweck führen wir modellbasierte Auslegungen und Performance-Analysen durch. Dafür verwenden wir bei TLK primär Komponentenmodelle aus unserer TIL Suite, insbesondere aus dem wasserstoffspezifischen Add-On HydrogenEnergySystems. Für unsere Kunden bearbeiten wir beispielsweise die folgenden konkreten Aufgaben:
- Modellbasierte Vorauslegung von Teilsystemen, z.B. H2-Vorkühlung (Temperatur und Kälteleistung) oder Speicherkapazitäten
- Analyse von Entlade- und Beladevorgängen von Tube Trailern und Fahrzeugspeichersystemen
- Analyse von Tankstellenkonzepten, z.B. Kaskaden- vs. Boosterbetankung
- Analyse von Betriebsstrategien zur Wiederbefüllung von Tankstellenspeichern
- Analyse des Leistungs- und Energiebedarfs der Tankstelle
- Analyse des thermischen Verhaltens von Tankstellen- und Fahrzeugspeichern während Betankungsprozessen
Insbesondere im Schwerlastbereich existieren derzeit keine einheitlichen Standards zur Betankung von Fahrzeugspeichersystemen. Um spezielle Betankungsprotokolle – in Anlehnung an die SAE J2601 oder basierend auf individuellen Kundenwünschen – modellgestützt und automatisiert zu ermitteln, nutzen wir unsere hauseigene Software MoBA Automation.
Abbildung 2: Fließbild eines dynamischen Simulationsmodells einer typischen Wasserstofftankstelle mit Druckgasspeicherung und Abgabe im Kaskadenbetrieb inklusive zu betankendem Beispielfahrzeug
H2-Erzeugung und Anwendung
Brennstoffzellensysteme
Im Auftrag unserer Kunden untersuchen wir detailliert PEMFC- und SOFC-Systeme. Dabei greifen wir auf unsere langjährige Erfahrung aus diversen Dienstleistungs- und Forschungsprojekten zurück.
Mit unseren Systemmodellen bilden wir folgende Teilsysteme ab:
- Verschiedene Typen von BZ-Stapeln
- Peripheriekomponenten der Anoden- und Kathodenpfade
- Kühlkreislauf
- Wechselwirkungen zwischen diesen Teilsystemen
Abbildung 3: Fließbild eines dynamischen Simulationsmodells eines typischen mobilen BZ-Systems
Detaillierte Stoffdatenmodelle, die Teil unserer Stoffdatenbibliothek TILMedia sind, werden zur Beschreibung der Gasgemische mit dynamischem Mischungsverhältnis verwendet. Dies ist Grundlage für die Untersuchung wesentlicher physikalischer Effekte und Abhängigkeiten auf Komponenten- und Systemebene. Dabei betrachten wir beispielsweise die folgenden konkreten Aspekte:
Brennstoffzellenstapel
- Konzentrationsverläufe entlang der Gaskanäle
- Resultierende elektrische Leistungsfähigkeit
- Kritische interne Zustände, z.B. Membranfeuchte oder Elektrodenpotentiale
PEMFC-Systeme
- Wasserhaushalt und die zugrundeliegende Medienkonditionierung der Versorgungsgase hinsichtlich eines stabilen und effizienten Betriebs
- Kathodenseitiger Membran-Befeuchter
- Anodenseitige Purge- und Rezirkulationsstrategien zur Regelung der Wasserstoffkonzentration
SOFC-Systeme mit kohlenstoffhaltigen Treibstoffen
- Systemeffizienz in Abhängigkeit der Treibstoffzusammensetzung (H2, CO, CH4)
- Geeignete anodenseitige Rezirkulationsraten zur Optimierung der Oxygen-to-Carbon-Ratio
- Identifikation kritischer Zusammensetzungen und Temperaturniveaus hinsichtlich potentieller Rußbildung
Abbildung 4: Darstellung exemplarischer Ergebnisse aus einer globalen Optimierungsstudie zur Ermittlung des Pareto-Optimums der Systemeffizienz. Optimierungsparameter sind der Betriebsdruck des Stapels sowie die H2-Stöchiometrie (Rezirkulation). a) zeigt die erzielte Effizienz in dem erlaubten Parameterbereich. Die maximal erzielbare Stöchiometrie ist durch die maximale Drehzahl des Rezirkulationsgebläses begrenzt (unten rechts). Hohe Systemeffizienzen (rot) werden prinzipiell bei geringerem Druck und geringerer Stöchiometrie erzielt. b) zeigt jedoch die Effizienz über der resultierenden mittleren Membranfeuchte. Das gefundene Pareto-Optimum (schwarzer Kreis) liegt exakt auf der minimal erlaubten mittleren Membranfeuchte, die als wesentliche Nebenbedingung Teil des Optimierungsproblems ist
Power-to-X-Verfahren
Power-to-X (PtX) ist eine Technologie, mit der synthetische Grund-, Brenn- und Kraftstoffe aus elektrischer Energie hergestellt werden können. Wir bieten Kunden, die diese Technologie verwenden, Unterstützung durch unsere Simulationsmodelle an. Beispielsweise können wir im Kontext einer Hochtemperatur-Co-Elektrolyse in einer SOEC/rSOC mit anschließender Methanisierung die geeignete Zusammensetzung des Synthesegases (Power-To-Syngas) sowie die Potentiale zur Nutzung von Wärmequellen- und senken simulativ ermitteln. Hierfür nutzen wir die Beschreibung chemischer Reaktionen, wie z.B. die Wasserdampfreformation oder die (reverse) Wassergasshiftreaktion, um vereinfachte Modelle für ideale Reaktoren zu erstellen.
H2 in der Luftfahrt
H2-Speicherung, H2-Konditionierung, Brennstoffzellensystem und Thermomanagement
Als Treibstoff für zukünftige emissionsarme Flugzeuge bietet Wasserstoff vielversprechende Perspektiven. Einerseits wird Wasserstoff in den Brennstoffzellen elektrifizierter Flugzeuge benötigt. Andererseits kann Wasserstoff – durch Verbrennung – auch in Flugzeugen zum Einsatz kommen, die durch klassische Gasturbinen angetrieben werden.
Mit unserer Expertise im Bereich der Modellierung und Simulation von Wasserstoffsystemen in der Luftfahrt unterstützen wir unsere Kunden bei vielfältigen Problemstellungen:
- Speicherung von flüssigem Wasserstoff
- Thermische Konditionierung von Wasserstoff
- Thermomanagement des Brennstoffzellensystems
- Betriebs- und Regelungsstrategien des Brennstoffzellensystems
Abbildung 1: Flüssigwasserstoff in Simulation und Messung: Druckgas-H2 wird mit Hilfe von LN2 vorgekühlt und anschließend nach dem Linde-Hampson Verfahren verflüssigt. a) Fließbild eines dynamischen Simulationsmodells einer entsprechenden Anlage zur H2-Verflüssigung. b) T-s-Diagramm von Wasserstoff aus der Simulation des Linde-Verfahrens zur H2-verflüssigung. Wasserstoffzustände werden an verschiedenen Stellen des Strömungspfades visualisiert. c) Die Umsetzung der realen Laboranlage erfolgt ebenfalls bei TLK-Thermo.
