Wasserstoff an Bord! Optimierung von H₂-Marine-Antriebssystemen mithilfe von Simulation

Modellierung eines PEMFC System mit Simcenter Amesim

Ein mit Simcenter Amesim vorkonfiguriertes Modell ermöglicht die Untersuchung und Optimierung der Integration von PEM-Brennstoffzellen in “Lightweight marine Systems”. Das Modell umfasst die folgenden Teilsysteme:

• Schiffsmodell und elektrisches Antriebssystem ⛵
• Elektrisches Netzwerk und Zusatzbatterien 🔋
• PEM-Brennstoffzellenstapel 🔄
• Luftversorgungssystem und Kathodensteuerung/regelung 🌬️
• Wasserstoffrückführungs-Kreislauf und Anoden-Management ⚗️
• Stack-Kühlsystem ❄️

Dieses Modell ermöglicht die Analyse von Wasserstoffverbrauch, Reichweite und Energieeffizienz in verschiedenen Betriebsszenarien.

Subsystem-Analyse und verfügbare Ergebnisse

Antrieb und Systemsteuerung

• Navigation Cycle Management: Prognostiziert Geschwindigkeitsschwankungen, Beschleunigung und Bremsungen auf der Grundlage definierter Routen/Strecken.

• Elektromotor und Getriebe: Erzeugt die notwendige Energie für den Antrieb.
  

• Energiesteuerungsstrategien zwischen Batterie und Brennstoffzellen: Legt fest, welche Energiequelle das System in welcher Phase versorgt.
  

Luftzufuhrsystem und Kathodensteuerung

• Luftkompressor und Stöchiometrie-Management: Sorgt für das richtige Sauerstoff-Wasserstoff-Verhältnis bei der elektrochemischen Reaktion.
• Membranbefeuchter: Reguliert die Luftfeuchtigkeit der einströmenden Luft, um eine Zersetzung der Membran zu verhindern.
• Kathodendruck- und Temperaturanalyse: Überwacht die Betriebsbedingungen, um Effizienz und Lebensdauer zu maximieren.

Wasserstoff- Rückführungskreislauf und Anodensteuerung

• Wasserstofftank und Druckregler: Liefern den notwendigen Brennstoff für die Reaktion.
• Wassertrennvorrichtung und Entleerungsventil: Entfernen das bei der Reaktion entstehende Wasser und gewährleisten den ordnungsgemäßen Betrieb des Systems.
• Überwachung der Gaszusammensetzung an der Anode: Verhindert eine Wasserstoffverdünnung und gewährleistet eine gleichbleibende Leistung.

Wärmemanagement und Kühlung

• Kühlpumpe und Kühlmittelkreislauf: Halten die Stack-Temperatur in einem optimalen Betriebsbereich.
• Thermostat und Lüfter: Aktivieren bei Bedarf zusätzliche Kühlsysteme.
• Analyse der Stack-Wärmeverluste: Optimiert die Wärmebilanz.

Simulation von Navigationsbedingungen

Mit Simcenter Amesim ist es möglich, die Betriebsbedingungen des Wasserfahrzeugs zu definieren, einschließlich:

• Routen und GPS-definierte Strecken
• Wassersalzgehalt und -temperatur
• Windgeschwindigkeit und -richtung
• Wellenhöhe und -zeitraum
• Meeresströmungsgeschwindigkeit

Diese Parameter ermöglichen die Bewertung des dynamischen Verhaltens des Wasserfahrzeugs und die Optimierung des Energiemanagements in Abhängigkeit von den Umweltbedingungen.

Simulationsergebnisse

Durch die Simulation können Schlüsseldaten für den Systementwurf gewonnen werden:

1. Autonomie des Wasserfahrzeugs und Ladezustand der Batterie ⛽
2. Wasserstoffverbrauch und Druckmanagement im Tank 📏
3. Steuerungsstrategie zwischen Brennstoffzellen und Batterie ⚡
4. Analyse der Energieverluste im Antriebssystem 🔍
5. Kompressoreffizienz und Druckmanagement in der Kathode 🔄
6. Überwachung der Zelltemperatur und Leistung des Kühlkreislaufs ❄️

Die Reaktionskurven des Systems ermöglichen die Bewertung von:

• Das Verhalten des Motordrehmoments im Verhältnis zu den Anforderungen der Steuerung.
• Mechanische und thermische Verluste während der Navigation.
• Die Effizienz des Kühlsystems bei Aufrechterhaltung der optimalen Temperatur.
• Das Verhalten der Brennstoffzelle in Bezug auf Spannung, Strom und Membranwiderstand.

Schlussfolgerungen

Der Einsatz von PEMFC-Brennstoffzellen stellt dank des schnellen dynamischen Reaktionsvermögens, der Kompaktheit und der einfachen Integration mit elektrischen Antriebssystemen die geeignetste Lösung für die Mobilität von Leichtschiffen dar. Die Systemsimulation mit Simcenter Amesim ermöglicht die Modellierung und Optimierung jedes Aspekts der Brennstoffzellenintegration, um die Effizienz, Autonomie und Zuverlässigkeit von leichten Schiffen zu verbessern.

Der Einsatz von Prädiktiver Simulation beschleunigt die Entwicklung innovativer Lösungen, reduziert die Konstruktionskosten und erleichtert die Integration von Wasserstofftechnologien im maritimen Sektor. Wenn Sie herausfinden möchten, wie unser Fachwissen und unsere Simulationswerkzeuge Ihre Projekte unterstützen können, kontaktieren Sie uns für eine persönliche Präsentation.