Von der Idee zum Prototyp: Wie Simcenter Amesim die Entwicklung von PEM-Elektrolyseuren unterstützt

Der Entwurf eines PEM-Elektrolyseurs erfordert ein Gleichgewicht zwischen mehreren Variablen:

• Energieeffizienz: Maximierung der Energieumwandlung bei gleichzeitiger Minimierung der Verluste.
• Thermomanagement: Vermeidung von Überhitzung, die die Leistung und Lebensdauer der Komponenten beeinträchtigen kann.
• Wasserstoffproduktion: Vorhersage der aktuellen Wasserstoffproduktion, bezogen auf den erforderlichen Strom, unter Berücksichtigung von Polarisationskurve und Anzahl der Zellen, sowie der aktiven Fläche.

Zur Bewältigung eines derart komplexen Prozesses braucht man eine Software erforderlich, die es ermöglicht, die Interaktion zwischen den verschiedenen Teilsystemen zu modellieren und zu simulieren: Stromkreis, Wärmehaushalt und die chemischen Prozesse im Inneren der Zellen.

Simcenter Amesim ist eine Multiphysik-Simulationsplattform, die Folgendes ermöglicht:

1. Analyse der Energieleistung
   • Bewertung der Systemeffizienz unter verschiedenen Betriebsbedingungen
   • Modellierung des Gleichgewichts der an Kathode und Anode ablaufenden Reaktionen.
2. Optimierung des Wärmemanagements:
   • Auslegung des Kühlsystems zur Gewährleistung optimaler Betriebstemperaturen
   • Analyse der Wärmeproduktion und Verbesserung der Lebensdauer der Komponenten durch Entwicklung von Kühlsystemen, die überschüssige Wärme ableiten können.
3. Untersuchung der Systemdynamik
   • Modellierung der Systemreaktion auf abrupte Änderungen der Betriebsbedingungen
   • Simulieren von An- und Abfahr-Szenarien zur Gewährleistung eines stabilen und sicheren Betriebs.
4. Vorhersage der H2-Produktion:
   • Schätzung der erzeugten Wasserstoffmenge auf der Grundlage der Betriebsbedingungen
   • Bewertung der Auswirkungen verschiedener Entwürfe auf die Gesamtleistung.
5. Vorhersage der Wasserproduktion:
   • Schätzung des Feuchtigkeitsgehalts der Membran unter Berücksichtigung von Phänomenen wie Elektro-Osmose, Versickerung und Diffusion
   • Bewertung der Auswirkungen des Feuchtigkeitsgehalts der Membran auf die Gesamtleistung des Elektrolyseurs.

Abbildung 2 zeigt, wie ein mit den Bibliotheken in Simcenter Amesim konstruiertes Elektrolyseur-Modell aussieht. Das grüne Element stellt die Kathode, die Anode und die Membran des Elektrolyseurs dar; es ist mit einer idealen, variablen Stromquelle (oben), mit einem thermischen Element (unten), mit Wasserstofftanks (rechts), einem Sauerstofftank und mit einem Element, das die Wasserzufuhr darstellt (links, in gelb), verbunden.

Abb. 2: Skizze eines mit Simcenter Amesim erstellten Systems mit einem Elektrolyseur.

Wenn das Elektrolyseur-Modell durch die Definition einer Polarisationskurve, der Parameter zur Beschreibung der Membran und der Stack-Konfiguration angemessen charakterisiert ist, kann die Entwicklung der relevanten Variablen bewertet werden, darunter:

• der absorbierte elektrische Strom
• die erzeugte Wärmeleistung
• der momentane elektrische Wirkungsgrad
• die Menge des in der Membran vorhandenen Wassers
• die Menge des erzeugten Wasserstoffs
• die Menge des erzeugten Sauerstoffs.

Die soeben aufgeführten Variablen sind in Abbildung 3 zu sehen. Die dargestellten Ergebnisse beziehen sich auf eine Einheit aus 180 Zellen, während das Profil des Eingangsstroms mit täglicher Regelmäßigkeit charakteristisch für ein Solarzellensystem ist.

Abb. 3: Einige Ergebnisse (von oben nach unten): aufgenommener elektrischer Strom, erzeugte Wärmeleistung, momentaner elektrischer Wirkungsgrad, Wassermenge in der Membran, erzeugte Wasserstoffmenge, erzeugte Sauerstoffmenge.

Ziel des Modells war es, die in drei Tagen produzierte Wasserstoffmenge vorherzusagen. Die Simulation dauerte nur wenige Sekunden, wodurch sich Simcenter Amesim besonders für Optimierungsstudien oder das Testen verschiedener Betriebsszenarien eignet.

Das betrachtete Schema stellt die Minimalkonfiguration eines Elektrolyseurs dar. Das System kann nach Belieben erweitert werden, indem beispielsweise Modelle von Stromkreisen, Kühlkreisen, porösen Kanälen zwischen dem Elektrolyseur und den Tanks hinzugefügt werden, um die in der Gasdiffusions-Schicht auftretenden Diffusionsvorgänge zu rekonstruieren, usw. …

Wettbewerbsvorteile von Simcenter Amesim

Simcenter Amesim bietet eine Reihe von Funktionen, die es besonders für den Entwurf von PEM-Elektrolyseuren geeignet machen:

• Vorkonfigurierte Bibliotheken: Spezifische Vorlagen für Elektrolyseure, Fluide und Wärmemanagement.
• Intuitive Schnittstelle: Reduziert den Zeitaufwand für die Konfiguration und Validierung von Modellen.
• Multi-Domain-Simulation: Möglichkeit zur einfachen Integration elektrochemischer Analysen in größere Energiemanagement-Systeme.
• Erweiterte Optimierung: Werkzeuge zur automatischen Optimierung der Systemparameter.

Schlussfolgerungen

Für Unternehmen, die PEM-Elektrolyseure entwickeln und herstellen, ist Simcenter Amesim ein wichtiges Hilfsmittel. Seine Fähigkeit, detaillierte und zuverlässige Simulationen zu liefern, trägt dazu bei, die Produktentwicklung zu beschleunigen, die Kosten für den Prototypenbau zu senken und die Effizienz des Gesamtsystems zu verbessern.

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