Systemsimulation: der Schlüssel zur Wasserstofftechnologie

Feb. 7, 2025 | H2, Idrogeno, Hydrogen, Idrogeno

Wasserstoff ist ein wichtiger Faktor für die Energiewende, aber die Optimierung ist mit verschiedenen Herausforderungen verbunden: Effizienz, Sicherheit, Kosten und Systemintegration. In diesem Artikel haben wir aufgezeigt, wie die Digitalisierung technischer Prozesse zur Lösung dieser Herausforderungen beitragen kann.

Heute wollen wir tiefer in die Materie eintauchen. Systemsimulation – ein spezielles digitales Engineering-Tool. Warum spielt es bei der Überwindung der technischen Hürden in der H2-Industrie eine entscheidende Rolle? Weil es Ingenieuren ermöglicht, ihre Produkte und Prozesse vor der physischen Umsetzung zu modellieren, analysieren und optimieren.

Hauptmerkmale der Systemsimulation

Systemsimulation ist ein virtueller Engineering-Ansatz, der es ermöglicht, digitale Modelle komplexer physikalischer Systeme mit mehreren Domänen zu erstellen und ihr Verhalten unter realen Bedingungen vorherzusagen. Um zu verstehen, warum sie die Herausforderungen der Wasserstofftechnologie unterstützt, müssen einige Informationen über ihre Funktionen und Möglichkeiten aufgezeigt werden.

 

✅ Multi-Physik- Eigenschaften

Systemsimulation kombiniert die Simulation von Gasen, Flüssigkeiten, thermischem Verhalten, Elektrik, Mechanik, Steuerung und Energieaustausch in einem einzigen Simulationsmodell. Ein System, das mehrere physikalische Eigenschaften mit einer Steuerlogik kombiniert, wird oft als „mechatronisches System“ bezeichnet und Systemsimulation ist das perfekte mechatronische Simulationswerkzeug.

 

Abb. 1: Wasserstoffsysteme sind multiphysikalisch gesteuerte Systeme – also mechatronische Systeme

✅ Modellbasierter Ansatz: Systemsimulationswerkzeuge bieten vorgefertigte Modellierungselemente, die der Benutzer zusammenstellen kann, um einen Entwurf seines Systems zu erstellen. Die Modellierungselemente sind validiert, voll parametrisch und decken alle physikalischen Bereiche ab. Mit einem einfachen Drag-and-Drop-Verfahren können Sie einen digitalen Zwilling Ihres Systems erstellen, es konfigurieren und in wenigen Minuten Simulationen durchführen.

✅ Transiente Simulationen: Sie können die dynamische Leistung Ihres Produkts in verschiedenen ‘Szenarien’ analysieren, z. B. bei unterschiedlichen Druck-, Temperatur- und Belastungsbedingungen.

✅ Control System Interaction unterstützt die Entwicklung von Steuerungen durch die einfache Kopplung von realitätsgetreuen, physikalischen Modellen mit Steuerungslogiken in MiL (Model-in-the-Loop), SiL (Software-in-the-Loop) und HiL (Hardware-in-the-Loop) Umgebungen.

✅ Skalierbarer Ansatz – von 1D- bis 3D-Modellen bietet die Systemsimulationssoftware Modelle, die verschiedene Ebenen der technischen Analyse abdecken: von funktionalen bis zu detaillierten geometriebasierten, von quasi-statischen bis zu dynamischen Modellen – angepasst an die spezifischen Simulationsanforderungen.

Welche technischen Fragen können mit Hilfe von Systemsimulation beantwortet werden?

  • Welche Systemstruktur ist für mein System am besten geeignet?
  • Was ist die beste Größenordnung für die einzelnen Komponenten?
  • Welches ist die beste Steuerungsstrategie für meine Teilsysteme?
  • Wie interagieren die Teilsysteme untereinander?
  • Wie wird sich das System unter Berücksichtigung mehrerer Gegebenheiten verhalten: Aktivierung einer Komponente, extreme Betriebsbedingungen, Ausfall…
  • Besteht die Gefahr, dass Überdruck oder hohe Temperaturen die Sicherheit beeinträchtigen?
  • Wie viel Wasserstoff kann das System produzieren?
  • Wie schnell kann ich einen Wasserstofftank auffüllen?
  • Wie viel Wasserstoff oder Energie wird das System verbrauchen?

Das sind die technischen Probleme, mit denen Kunden bei ihrer täglichen Arbeit konfrontiert werden und die mit Systemsimulation gelöst werden können.

Wo findet Systemsimulation in der Wasserstoffindustrie Anwendung?

Systemsimulation deckt technisch alles ab, von ersten Pilotprojekten bis hin zu skalierbaren und standardisierten Lösungen, einschließlich der Erzeugung von grünem Strom und der Netzanbindung, sowie Produktion, Speicherung, Transport und Nutzung von Wasserstoff in mobilen oder stationären Anwendungen

 

Betrachtung einiger spezifischer Anwendungen

1.Wasserstoffproduktion: Verbesserung von Effizienz und Leistung

Im Zentrum der grünen Wasserstoffproduktion stehen Elektrolyseure, aber die Optimierung ihrer Leistung ist komplex. Die Systemsimulation ermöglicht:

✅ Modellierung des Verhaltens verschiedener Elektrolyseur-Typen

✅ Analyse von Schlüsselparametern wie Temperatur und Stromverbrauch bei der Wasserstofferzeugung.

✅ Optimierung des Wärmemanagements zur Verbesserung der Effizienz und Verlängerung der Lebensdauer der Komponenten.

Hier ein Beispiel für ein Simulationsmodell eines Elektrolyseur-Systems und welche Erkenntnisse es liefern kann.

Lesen Sie den Artikel, in dem wir Simcenter Amesim, eine führende Systemsimulationssoftware von Siemens, zur Modellierung und Simulation eines PEM-Elektrolyseurs verwenden hier.

Bei einer vollständigen Wasserstoffproduktionsanlage, die erneuerbare Energiequellen mit dem Elektrolyseur integriert, ermöglicht die Systemsimulation während des gesamten Prozesses die Vorhersage von Leistung, Wasserstoffproduktionsniveaus, Energieerzeugung und -verluste, und das unter variablen Produktionsbedingungen.

Lesen Sie außerdem unseren Artikel über Simcenter Amesim für die Analyse von Produktionsanlagen hier.

2. Komponenten fürs Wasserstoff-Management: Präzision – auch bei hohem Druck

Damit Produktion, Transport und Nutzung von Wasserstoff reibungslos und sicher ablaufen, müssen die Fluid-Netzwerke und Komponenten, wie Druckregler, Einspritzdüsen und Ventile, präzise und effizient sein. Simcenter Amesim ist das ideale Simulationswerkzeug, um:

  • die Anordnung der Komponenten zu modellieren und dynamische Analysen unter verschiedenen Betriebsbedingungen durchzuführen.
  • das tatsächliche Verhalten der Gase zu simulieren
  • die Integration von Komponenten in das System zu untersuchen
  • zu sehen, wie Durchflussmenge und Temperatur auf Druckschwankungen reagieren

Mehr dazu in diesem Artikel

3.Speicherung und Transport: Gewährleistung von Sicherheit und Effizienz

Wasserstoffspeicherung und -transport stellen erhebliche technische Herausforderungen dar und erfordern Hochdrucktanks, kryogene Lösungen oder solide Materialien.

Mit Systemsimulation können Ingenieure:

✅ das Verhalten von Tanks und Ventilen unter verschiedenen Betriebsbedingungen analysieren.

✅ Komprimierungs- und Verflüssigungsprozesse optimieren, um Energieverluste zu reduzieren.

✅ Das Verhalten von Wasserstoff in Pipelines und Verteilungssystemen simulieren, um Sicherheit und Zuverlässigkeit zu gewährleisten

Mehr zu diesem Thema erfahren Sie hier.

4. Wasserstoff-Tankstellen: Geschwindigkeit und Sicherheit

Systemsimulation bietet die notwendigen Fähigkeiten, um Wasserstoff-Tankstellen (engl. HRS) zu entwerfen, zu analysieren und zu optimieren.

Insbesondere ermöglicht sie:

  • Simulation und Analyse des Wasserstoffflusses, des Drucks und der Temperatur in jedem Teilsystem, wobei reale Gase und hoher Druck modelliert werden
  • die genaue Größenbestimmung von Kompressoren, Tanks, Rohren und Ventilen, um den betrieblichen Anforderungen zu entsprechen
  • die Arbeit am Wärmemanagement, um effiziente Kühlsysteme zu entwerfen und die Wasserstofftemperaturen während der Komprimierung zu regulieren.
  • Verbesserung der Kontrollstrategien und Durchführung von virtuellen Inbetriebnahmen

Mehr dazu hier.

    5. Wasserstoffnutzung: Optimierung von Brennstoffzellen und industriellen Anwendungen

    Brennstoffzellen spielen eine Schlüsselrolle in wasserstoffbetriebenen Transport- und Industrieanwendungen, doch ihr Wirkungsgrad und ihre Lebensdauer sind nach wie vor ein kritisches Thema.

    Systemsimulation ermöglicht es Ingenieuren,

    ✅ die interne Dynamik von Brennstoffzellen zu modellieren, das Wärmemanagement und die Membranfeuchtigkeit zu optimieren, die Energieerzeugung zu bewerten, sowie den Verbrauch und die Konzentration von H2 und O2 und die H2O-Produktion zu ermitteln;

    ✅ die Integration von Brennstoffzellen in Fahrzeuge, Züge, Schiffe und Industrieanlagen zu simulieren und so die gesamte Systemleistung zu verbessern

    Schlussfolgerungen

    Durch die Nutzung von Systemsimulation können Ingenieure und Hersteller:

    🔹 Die Entwicklungszeit verkürzen und die Markteinführung beschleunigen.

    🔹 Prototyping-Kosten durch virtuelle Validierung minimieren.

    🔹 Sicherheit und Einhaltung von Vorschriften bei wasserstofftechnischen Anwendungen gewährleisten.

    🔹Komplexe Anwendungsfälle simulieren und innovative Lösungen testen.

    Mit Systemsimulations-Tools wie Simcenter Amesim gewinnen Unternehmen wertvolle Erkenntnisse, um datengestützte Entscheidungen zu treffen, Risiken zu reduzieren und die Leistung von Wasserstoffsystemen zu maximieren.

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