Simulation der Wasserstoffanlagen-Produktion mit Simcenter Amesim

Jan. 16, 2025 | H2, Hydrogen, Idrogeno, Simcenter Amesim, Unkategorisiert

Wussten Sie, dass zur Herstellung von 1 Kilogramm grünem Wasserstoff bis zu 50 Kilowattstunden Strom benötigt werden? Das zeigt, warum eine effiziente Energienutzung entscheidend ist, um Wasserstoff zu einer nachhaltigen Energiequelle zu machen!

Grüner Wasserstoff gilt als vielversprechendste Lösung für den Übergang zu Netto-Null-Emissionen. Dennoch bringt die Entwicklung effizienter und zuverlässiger Wasserstoffproduktionssysteme technische Herausforderungen mit sich, die anspruchsvolle Ingenieurs-Lösungen erfordern.

Simcenter Amesim zeichnet sich als umfassendes, multiphysikalisches Systemsimulations-Tool aus, das Ingenieuren ermöglicht, die komplexen Wechselwirkungen zwischen den Subsystemen der Wasserstoffanlagen zu analysieren.

Von der Modellierung der komplexen Funktionsweise von Elektrolyseuren über die Integration erneuerbarer Energiequellen bis zur Optimierung der Speichersysteme bietet Amesim die erforderlichen Werkzeuge, um Systemleistungen unter realen Bedingungen zu simulieren und dadurch zu verbessern.

Was bringt die Simulation von Wasserstoffanlagen?

Für Ingenieurdienstleistungs- und Vertragsunternehmen, die mit der Planung und dem Bau von Wasserstoffproduktionsanlagen betraut werden, ist eine optimale Energie- und Kosteneffizienz von entscheidender Bedeutung.
Diese Unternehmen müssen Untersysteme, wie grüne Energiequellen (Wind, Sonne, Meer…), Elektrolyseure, Kompressoren, und Speichersysteme auswählen, integrieren und bewerten, um leistungsstarke Anlagen zu entwickeln, die auf die Bedürfnisse ihrer Kunden zugeschnitten sind.

Zentrale Herausforderungen:

  • Leistungsbewertung verschiedener Layouts:

    Wie beeinflussen unterschiedliche Anlagen-Layouts und Komponenten-Zusammenstellungen (z. B. Elektrolyseurmodelle, Kompressionssysteme und Energiespeichereinheiten) die Gesamtleistung des Systems?

  • Optimierung der Energieeffizienz:

    Sicherstellen, dass die Anlage unter wechselnden Bedingungen mit maximaler Effizienz arbeitet, unter Berücksichtigung des Energiebedarfs der Elektrolyseure sowie der Dynamik der unterstützenden Subsysteme.

  • Analyse der Interaktion zwischen den einzelnen Teilsystemen:

    Wie beeinflussen einzelne Komponenten (wie Kompressoren oder Kühlsysteme) die Gesamtleistung der Anlage? Wie kann man eine nahtlose Integration gewährleisten und Ineffizienzen weitgehendst minimieren?

  • Kostenoptimierung:

    Analyse des Gesamtenergieverbrauchs und der Betriebskosten verschiedener Konfigurationen, um das kostengünstigste Layout zu identifizieren

Wie können diese Herausforderungen bewältigt und wie das Verhalten einer Wasserstoffproduktionsanlage und ihrer Subsysteme erfasst werden?

 

Die Antwort ist Simcenter Amesim!

Mit Simcenter Amesim erstellt man eine virtuelle Produktionsanlage, in der Ingenieure die komplexen Wechselwirkungen zwischen verschiedenen physikalischen Bereichen einer H2-Produktionsanlage vorhersagen können, zum Beispiel;

  • Leistungsvergleich mehrerer Layouts und Konfigurationen ohne physische Prototypen
  • System-Simulation unter realen Bedingungen, einschließlich variabler Energiezufuhr und transienter Beanspruchung
  • Erarbeitung der optimalen Komponenten-Kombination zur Senkung von Energieverbrauch und Betriebskosten

Im Folgenden finden Sie das Simulationsmodell einer Anlage, bei der elektrische Energie aus erneuerbaren Energiequellen erzeugt wird, um einen Elektrolyseur anzutreiben, der H2 produziert. Der erzeugte Wasserstoff wird sodann komprimiert, damit er in Hochdrucktanks gespeichert werden kann. Anschließend kann er zur Fahrzeugbetankung genutzt oder abtransportiert werden.

Abb. 1

1. Erneuerbare Energiequellen

In unserem Amesim-Modell berücksichtigen wir drei verschiedene, erneuerbare Energiequellen: Windturbinen, Solarpaneele und Wellenenergieumwandler, wobei es bei allen Herausforderungen im Zusammenhang mit Belastungsschwankungen und Systemkopplung gibt.

Windturbinen:

Das Windturbinenmodell berücksichtigt die Anzahl der verwendeten Windturbinen, die Parameter für die Geometrie der Rotorblätter, (z. B. Gebläsedurchmesser, Anstellwinkel), die Leistung des Generators, die Verlustanteile bei den mechanischen Subkomponenten und die Steuerung der Rotorblattstellung (fan pitch).

Abb. 2 Windturbinen-Modell 

Dank dieses Modells können wir die elektrische und mechanische Leistung der Turbine vorhersagen, die natürlich von der momentanen Windgeschwindigkeit abhängen.

Abb. 3 Ergebnisse Windgeschwindigkeit 

Solarpaneele:

Das Solaranlagen-Modell berücksichtigt Anzahl und Anordnung der Zellen und Paneele, sowie alle transienten Betriebsbedingungen, einschließlich Sonnenposition und Einfluss eventueller Wolken.

Abb. 4: Solaranlagen-Modell

Es ermöglicht die Vorhersage der vom Solarmodul gelieferten elektrischen Leistung in Abhängigkeit von der jeweiligen Sonneneinstrahlung auf die Zellen.

 

Abb. 5: Ergebnisse des Solarpaneel-Modells

Wellenenergieumwandler:

Um die Leistung eines Wellenenergieumwandlers vorherzusagen, wird zunächst ein detailliertes, multiphysikalisches Modell erstellt, mit dem das genaue System-Layout dargestellt wird, bestehend aus Kolben, Ventilen, Hydraulikmotoren und Generatoren, Akkumulatoren, Rohrleitungen, … usw.

Das Modell kann sodann zur Vorhersage der vom Wellengenerator erzeugten, elektrischen Leistung verwendet werden, in Abhängigkeit von der variablen Wellenfrequenz und -amplitude.

Abb. 6: Eingaben (links) und Ergebnisse (rechts) des Wellenenergieumwandler-Modells

2. Elektrolyseure

Elektrolyseure spalten Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff, indem sie elektrische Energie aus den oben beschriebenen Quellen nutzen. Dabei kann Simcenter Amesim wie folgt unterstützen:

  • Leistungsbewertung: Vorhersage der momentanen Wasserstoffproduktion und des absorbierten Stroms, sobald die Polarisationskurve, die Anzahl der Zellen und die Größe der aktiven Fläche als Parameter zur Verfügung stehen.
  • Thermisches Management: Bewertung der Wärmeentwicklung während der Elektrolyse und Optimierung der Kühlsysteme, zur Verbesserung von Zuverlässigkeit und Langlebigkeit.
  • Analyse der Belastungsempfindlichkeit: Es wird getestet, wie sich unterschiedliche elektrische Inputs (aus variablen erneuerbaren Quellen) auf die Wasserstoffproduktion und die Energieeffizienz auswirken.

Fig. 7: Elektrolyseur-Modell 

In unserem Beispiel produziert der Elektrolyseur etwa 9 kg Wasserstoff pro Tag.
Außerdem zeigt die Dimensionierung der Subsysteme, dass der Wellenumwandler 88,4% der elektrischen Energie, die Solarpaneele 4,4% und die Windturbine 7,2% erzeugen.

Abb. 8: Ergebnisse des Elektrolyseur-Modells

3. Wasserstoffkompression und -speicherung

Die effiziente und sichere Speicherung von Wasserstoff erfordert Kompressionssysteme und Speichertanks, die hohem Druck standhalten und thermische Dynamiken handhaben können.

Mit Simcenter Amesim können Ingenieure:

  • Druckdynamiken modellieren: Simulation von Druckänderungen während der Kompressions- und Speichervorgänge.
  • Thermische Analysen durchführen: Berechnung der Wärmeübertragungen in Rohren und Tanks.
  • Die Energieeffizienz optimieren: Reduzierung des Energieverbrauchs in Kompressionssystemen durch Optimierung der Konstruktionsparameter.

Dieses Modell besteht aus Rohren, einem Kompressor mit Steuerung, Ventilen und drei Tanks. Die Ventilsteuerung sorgt dafür, dass der erste Tank befüllt wird, bis der Druck 750 bar erreicht. Anschließend wird der zweite und schließlich der dritte Tank befüllt. Die Simulation endet, sobald in allen drei Tanks ein Druck von 750 bar erreicht wird.

Abb. 9: Modell des Wasserstoffspeichersystems

Dank des Modells und der Simulation kann vorhergesagt werden, dass die drei Tanks unter den definierten Betriebsbedingungen in 42 Tagen befüllt werden können. Außerdem kann man genau nachvollziehen, wie schnell sich Druck und Wasserstoffmasse erhöhen, oder wie sich die Gastemperatur in den drei Tanks entwickelt.
Die Simulation zeigt außerdem, dass der Kompressor etwa 6 % der (von Solarpaneelen, Wellenumwandlern und Windturbinen) erzeugten elektrischen Energie verbraucht, was sich negativ auf die Wasserstoffproduktion auswirkt.

Abb. 10: Ergebnisse des Modells für das H2-Speichersystem

Vorteile von Simcenter Amesim für Wasserstoffanlagen

    1. Multiphysikalische Modellierung: Integration thermischer, fluiddynamischer und elektrischer Systeme in einer einzigen Simulationsumgebung, zur besseren Bewertung der Gesamtleistung.
    2. Interaktion der Teilsysteme: Vorhersage, wie Komponenten wie Elektrolyseure, Kompressoren und Energiequellen unter dynamischen Bedingungen interagieren.
    3. Experimentelle Entwürfe: Durchführung mehrerer Simulationen zur Optimierung, Empfindlichkeitsberechnung und Analyse unterschiedlicher Szenarien.
    4. Reduzierung der Entwicklungskosten: Minimierung der Abhängigkeit von physischen Prototypen und dadurch Verkürzung der Entwicklungszeit.
    5. Integration mit bestehenden Tools: Export von Modellen als FMUs zur Validierung von Steuerungsstrategien oder Integration mit einer anderen Simulationssoftware.

    Fazit

    Der Übergang zu einer nachhaltigen Wasserstoffwirtschaft erfordert modernste Werkzeuge zur Gestaltung und Optimierung von Produktionssystemen.

    Simcenter Amesim ermöglicht es den Ingenieuren, komplexe Herausforderungen bei der Planung von Wasserstoffanlagen zu bewältigen – von der Effizienzsteigerung der Elektrolyseure über die Integration erneuerbarer Energien bis zur Optimierung der Speicherung.

    Durch den Einsatz von prädiktiver Simulation können Kosten gesenkt, die Markteinführungszeit verkürzt und somit Wasserstofflösungen bereitgestellt werden, die den Anforderungen des sich schnell wandelnden Energiemarktes gerecht werden.

     

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