Wasserstoff
Kurzfassung
Neuartige Technologien für nachhaltige wasserstoffbasierte Energiesysteme
Wir modellieren und simulieren Systeme entlang der gesamten Wasserstoffwertschöpfungskette – von der Erzeugung des Wasserstoffs durch Elektrolyse über die Speicherung und Verteilung des Wasserstoffs bis hin zur energetischen und stofflichen Nutzung. Für unsere Kunden entwickeln wir Modelle einzelner Komponenten und Gesamtsysteme, fitten die Modelle an Messdaten an und analysieren sowie optimieren modellbasiert Wasserstoffsysteme.
H2-Erzeugung
Elektrolysesysteme
Die Wasserstoffproduktion mittels Wasserelektrolyse bildet die Grundlage für eine zukünftige Wasserstoffwirtschaft auf Basis erneuerbarer Energien. Wir unterstützen unsere Kunden bei der modellbasierten Auslegung und Analyse von Hoch- und Niedrigtemperaturelektrolyseuren sowie verschiedenen Wasserstoffaufbereitungsprozessen. Gemeinsam erarbeiten wir Lösungen für den gesamten Entwicklungsprozess eines Elektrolysesystems – vom ersten Konzept bis zur Optimierung dynamischer Betriebsstrategien. Dafür verwenden wir bei TLK Modelle aus unserer TIL Suite, insbesondere dem Add-On Hydrogen Energy Systems und Add-On Adsorption, sowie kundenspezifisch entwickelte Modelle. Durch die Einbindung der Elektrolysemodelle in komplexe Energienetzmodelle oder die Verschaltung mit Wärmepumpenmodellen ermöglichen wir die Entwicklung fortschrittlicher Lösungen für die Integration von Wasserstofftechnologien in bestehende und zukünftige Energiesysteme. Die Produktion von Wasserstoffderivaten, wie Methanol oder Methan, bilden wir mit der Process Systems Library (PSL) ab.
Mit unserer Expertise unterstützen wir unsere Kunden beispielsweise bei den folgenden Fragestellungen:
- Anpassung von Modellen an Messdaten bspw. zur Beschreibung des Polarisationskurve in Abhängigkeit der Betriebsbedingungen
- Analyse des Startverhaltens von Elektrolyseanlagen in Bezug auf thermische Kapazität und Druckaufbau im Wasserstoffsystem
- Untersuchung der Systemeffizienz in dynamischen Nutzungsszenarien
- Entwurf von Betriebsstrategien für eine effiziente Betriebsführung
- Kopplung von Elektrolyseuren mit Wärmepumpen
- Analyse von zwei Phasenverhalten im Elektrolyseur
Abbildung 1: Fließbild eines dynamischen Simulationsmodells eines PEM-Elektrolyseurs mit Wasserversorgungssystem und nachgelagerten Trocknungsprozessen sowie Verdichtung
H2-Speicherung und Verteilung
Mobile und stationäre Wasserstoffspeichersysteme
Als Treibstoff für zukünftig emissionsarme Antriebe in verschiedenen Anwendungsbereichen, wie Schiene, Straße, Luftfahrt und Schifffahrt, bietet Wasserstoff vielversprechende Perspektiven. Dafür müssen sowohl mobile Speichersysteme im Fahrzeug sowie für den weltweiten Transport als auch stationäre Speicher an Tankstellen entworfen werden. Wir entwickeln mit unseren Kunden und Partnern Simulationsmodelle und -werkzeuge zur Identifikation und Evaluation geeigneter Wasserstoffspeichersysteme. Dabei werden sowohl Druckgas- als auch kryogene Speicher für CGH2, LH2, sLH2 und CcH2 Speichersysteme betrachtet.
Mit unseren Kunden und Partnern arbeiten wir beispielsweise an folgenden Fragestellungen:
- Verflüssigung von Wasserstoff
- (Thermische) Konditionierung von Wasserstoff
- Modellbasierte Vorauslegung von Wasserstoffspeicher- und Transportsystemen
- Design des Thermomanagements für Wasserstoffspeicher- und Transportsysteme
- Entwicklung von energieeffizienten Betriebs- und Regelungsstrategien für Wasserstoffspeicher- und Transportsysteme
Abbildung 2: 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
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 Hydrogen Energy Systems.
Für unsere Kunden bearbeiten wir beispielsweise die folgenden konkreten Aufgaben:
- Analyse von Betankungsprozessen (Entlade- und Beladevorgängen) von stationären sowie mobilen Wasserstoffspeichersystemen, z.B. Tube Trailern, Tankstellen- und Fahrzeugspeichersystemen
- Analyse und Optimierung von Tankstellenkonzepten, z.B. Kaskaden- vs. Boosterbetankung, Betriebsstrategien zur Wiederbefüllung von Tankstellenspeichern sowie des Leistungs- und Energiebedarfs der Tankstelle
- Modellbasierte und mittels unserer Software MoBA Automation automatisierte Ermittlung spezieller Betankungsprotokolle – in Anlehnung an die SAE J2601(-5) oder basierend auf individuellen Kundenwünschen
- Modellbasierte Vorauslegung von Teilsystemen, z.B. H2-Vorkühlung (Temperatur und Kälteleistung) oder Speicherkapazitäten
Für die Analyse von Wasserstoffbetankungsprozessen haben wir in Zusammenarbeit mit dem Institut für Thermodynamik der TU Braunschweig im Rahmen des Forschungsprojekts THEWA eine Web-App entwickelt. Unser Tankstellensimulator bietet Interessierten die Möglichkeit, kostenfrei einen typischen Wasserstoffbetankungsprozess zu simulieren und zu analysieren. Eine Einführung zur Nutzung der Web-App finden Sie auf dem TLK-Thermo YouTube Kanal.
Probieren Sie unseren Tankstellensimulator gerne aus!
Abbildung 3: Fließbild eines dynamischen Simulationsmodells einer typischen Wasserstofftankstelle mit Druckgasspeicherung und Abgabe im Kaskadenbetrieb inklusive zu betankendem Beispielfahrzeug
H2-Energetische Nutzung
Brennstoffzellensysteme
In Brennstoffzellen werden durch elektrochemische Reaktionen elektrische Energie und Wärme freigesetzt. Heutzutage sind Wasserstoff-Brennstoffzellen, in denen Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser reagieren, am weitesten verbreitet. Gemeinsam mit unseren Kunden und Kooperationspartnern aus Industrie und Forschung arbeiten wir an der modellbasierten Auslegung, Analyse und Optimierung von Nieder- und Hochtemperaturbrennstoffzellen. Dabei greifen wir auf langjährige Erfahrung in der Entwicklung von Brennstoffzellensystemen aus zahlreichen Dienstleistungs- und Forschungsprojekten zurück.
Abbildung 4: Fließbild eines dynamischen Simulationsmodells eines typischen mobilen BZ-Systems mit aktiver Rezirkulation des überschüssigen Wasserstoffs im Anoden-Abgas der Brennstoffzelle
Auf Basis unseres Add-On Hydrogen Energy Systems entwickeln wir maßgeschneiderte Brennstoffzellensysteme, die an spezifische Kundenanforderungen angepasst werden. Dabei nutzen wir modulare Modelle für Brennstoffzellenstapel, die ein breites Spektrum an physikalischer und elektrochemischer Detailtiefe abbilden können, sowie spezifische Modelle für Systemkomponenten wie Membranbefeuchter, Strahlpumpen und Reformatoren. 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.
Für unsere Kunden bearbeiten wir beispielsweise die folgenden Aufgabenbereiche und Anwendungen:
Brennstoffzellenstapel
- Berechnung der Konzentrationsverläufe entlang der Gaskanäle und Analyse lokaler Unterversorgungen von Reaktanten
- Ermittlung der elektrischen Leistungsfähigkeit unter Berücksichtigung von Variationen in den Betriebsbedingungen und Stapelgeometrien
- Analyse kritischer interner Zustände, z.B. Membranfeuchte oder Elektrodenpotentiale
Abbildung 5: Fließbild eines dynamischen Simulationsmodells eines BZ-Systems mit Brennkammer zur Verbrennung des überschüssigen Wasserstoffs im Anoden-Abgas der Brennstoffzelle und Mikro-Gasturbine als zusätzliche Energiequelle
PEMFC-Systeme
- Analyse des Wasserhaushalts und die zugrundeliegende Medienkonditionierung der Versorgungsgase hinsichtlich eines stabilen und effizienten Betriebs
- Modellierung und Simulation von kathodenseitigen Membran-Befeuchtern zur Luftkonditionierung
- Anodenseitige Purge- und Rezirkulationsstrategien zur Regelung der Wasserstoffkonzentration
- Design von effizienten Thermomanagementsystemen für Brennstoffzellen
- Simulation und Bewertung von Brennstoffzellensystemen unter dynamischen Lastanforderungen (Missionsprofilen)
- Entwurf und Umsetzung von Betriebsstrategien und Regelungskonzepten
- Untersuchung der Wasserstoffverbrennung zur Leistungsbereitstellung in Brennkammer und Gasturbine als Ergänzung zur Brennstoffzelle
SOFC-Systeme mit kohlenstoffhaltigen Treibstoffen
- Berechnung der Systemeffizienz in Abhängigkeit der Treibstoffzusammensetzung (H2, CO, CH4)
- Ermittlung von geeigneten anodenseitige Rezirkulationsraten zur Optimierung der Oxygen-to-Carbon-Ratio
- Identifikation kritischer Zusammensetzungen und Temperaturniveaus hinsichtlich potenzieller Rußbildung
Abbildung 6: Potentialverläufe an den Elektroden einer PEM-Brennstoffzelle während des Startups. Die Propagation einer H2/O2-Front im Anodengaskanal wird durch den sukzessiven Abfall des Anodenpotentials deutlich, während das Potential an der Kathode lokal stark ansteigt und Degradation begünstigen kann
H2-Derivate (stoffliche Nutzung)
H2 als Ausgangsstoff für Power-to-X-Verfahren
Power-to-X (PtX) ist ein Oberbegriff für Technologien, mit denen synthetische Grund-, Brenn- und Kraftstoffe aus elektrischer Energie unter Nutzung von Wasserstoff und einer Kohlenstoffquelle hergestellt werden können. Wir bieten Kunden, die diese Technologie verwenden, Unterstützung durch unsere Simulationsmodelle an. Hierbei verwenden wir für die Systemsimulation optimierte Modelle von Reaktoren, um chemische Reaktionen wie die Dampfreformierung oder die Wassergasshiftreaktion abzubilden.
Folgende konkrete Aufgaben bieten wir beispielsweise an:
- Berechnung der geeigneten Zusammensetzung des Synthesegases (Power-To-Syngas) bei der Hochtemperatur-Co-Elektrolyse in einer SOEC/rSOC mit anschließender Methanisierung
- Modellierung und Simulation von Gasaufbereitungsprozessen zur Erzielung hochreiner Produktgase in Adsorptionsanlagen mit Hilfe des TIL Add-On Adsorption
- Berechnung örtlich aufgelöster Stromdichten und Konzentrationsverläufe
- Bewertung und energetischer Vergleich verschiedener Wasserstoffträger entlang deren Wertschöpfungskette (Erzeugung, Transport, Nutzung)
- Simulative Analyse der Potentiale zur Nutzung von Wärmequellen- und senken
Abbildung 7: Fließbild eines dynamischen Simulationsmodells einer Hochtemperatur-Co-Elektrolyse in einem SOEC-System mit interner Methanisierung, inkl. räumlich aufgelöster Ergebnisse zur Zusammensetzung des Synthesegases entlang des Fluidkanals sowie zur lokalen Stromdichteverteilung
Mit der Process Systems Library (PSL) von unserem Partnerunternehmen TLK Energy analysieren wir weiterführende chemische Prozesse zur Synthese von Derivaten:
- Prozesse zur Erzeugung von Sustainable Aviation Fuels (SAF), wie z.B. die Fischer-Tropsch-Synthese oder der Methanol-to-Olefins Prozess
- Synthese von flüssigen Wasserstoffträgern, wie z.B. Methanol und Ammoniak
Die PSL ist mit unserer TIL Suite kompatibel, sodass wir zusätzlich eine präzise thermische Analyse dieser Prozesse durchführen können.
Abbildung 8: Fließbild eines dynamischen Simulationsmodells zur Ammoniak-Synthese basierend auf der Process Systems Library
