Wasserstofftankstellen: Leistungsfähigkeit, Sicherheit und Kosteneffizienz mit Simcenter Amesim

Die komplexe Realität von Wasserstoff-Tankstellen

Trotz des sauberen und harmonischen Erscheinungsbildes von Wasserstofftankstellen sind ihre internen Systeme kompliziert. Sie bestehen aus einer Vielzahl miteinander verbundener Komponenten, darunter Kompressoren, Ventile, Tanks, Wärmetauscher und fortschrittliche Steuersysteme und diese müssen harmonisch zusammenarbeiten, um folgende Anforderungen erfüllen zu können:

• Schnelle Betankungszeiten: 5 Minuten für Personenkraftwagen oder 10-15 Minuten für große Lastkraftwagen.
• Wärmeregulierung: Es muss verhindert werden, dass die Wasserstofftemperaturen die sichere Grenze (in der Regel 85 °C) überschreiten, um Schäden an Fahrzeugtanks zu vermeiden.
• Sicherheitskonformität: Überwachung der Durchflussmengen und des Drucks, um Risiken -z.B. Explosionen- zu vermeiden.
• Energieeffizienz: Minimierung des Energieverbrauchs für Komprimierung und Kühlung.
• Kostenmanagement: Reduzierung von Investitionsausgaben (CAPEX) und Betriebskosten (OPEX), bei gleichzeitiger Gewährleistung von System-Zuverlässigkeit und -Leistung.

Die umfassende Systemsimulationsplattform Simcenter Amesim bietet die erforderlichen Funktionen für Entwurf, Analyse und Optimierung von Wasserstofftankstellen. Hier sehen Sie, wie genau:

1. Größenbestimmung

• Simulation und Analyse von Wasserstoffdurchfluss, Druck und Temperatur in jedem Teilsystem.
• Genaue Dimensionierung von Kompressoren, Tanks, Rohren und Ventilen entsprechend den Betriebsanforderungen.

2. Modellierung von realen Gasen und hohem Druck

• Nutzung fortschrittlicher Zustandsgleichungen (EoS) für reales Gasverhalten bei hohem Druck.
• Vorhersage der Auswirkungen einer schnellen Wasserstoffkompression auf Temperatur und Druck.

3. Thermisches Management

• Entwurf effizienter Kühlsysteme zur Regulierung der Wasserstofftemperatur während der Kompression.
• Dimensionierung von Wärmemanagement-Komponenten, um sichere Liefertemperaturen zu gewährleisten.

4. Steuerungsstrategien

• Entwicklung von State Machines und Steuerlogik für einen optimalen Systembetrieb.
• Testen und Validieren von Kontrollstrategien zur Verringerung von Betankungszeit und Energieverbrauch.

5. Virtuelle Inbetriebnahme

• Verbindung von Simulationen mit PLCs und Hardware-Geräten für Automatisierungstests.
• Erkennung und Behebung potenzieller Probleme vor der Inbetriebnahme, wodurch die Entwicklungszeit verkürzt wird

Fig. 1: System model

Modellierung der Wasserstoff-Tankstelle

Wasserstoffquelle

Tankstellen können ihren Wasserstoff vor Ort produzieren, zum Beispiel mit einer Kombination aus Solarzellen und einem Elektrolyseur. Eine andere, kostengünstigere Alternative ist die Herstellung des Wasserstoffs mit einem größeren Elektrolyseursystem, das dann zur Tankstelle transportiert wird, z. B. mit einem Rohrauflieger. In unserem Modell werden wir diesen Fall mit den folgenden Annahmen berücksichtigen:

• Tankvolumen des Rohraufliegers: 5 m3
• Anfangsdruck: 200 bar
• Anfangstemperatur: 20°C

Unter diesen Bedingungen beträgt die anfängliche Menge an Wasserstoff im Tankwagen etwa 76kg.

Abb. 2: Rohrauflieger

Wasserstoff-Kompressionssystem

Um den Wasserstoff aus dem Anhängerrohr mit einem Druck von 200 bar in den Fahrzeugtank mit einem erwarteten Druck von 700 bar zu füllen, verwendet das System 2 parallel arbeitende volumetrische Kompressoren mit den folgenden Annahmen:

• Verdrängungsvolumen des Kompressors: 150 cm/Umdrehung
• Drehgeschwindigkeit des Kompressors: 120 U/min

Abb. 4: Kompressionssystem

Thermo-Management

Um die Systemsicherheit zu gewährleisten, die Menge des im Tank gespeicherten Wasserstoffs zu erhöhen und hohe Temperaturen zu vermeiden, die die Innenverkleidung des Fahrzeugtanks beschädigen würden, werden mehrere Wärmetauscher in das System integriert. In unserem Fall gehen wir davon aus, dass sie wie folgt integriert sind:

1. am Ausgang der Kompressoren, um den Wasserstoff nach der Kompression auf 30°C abzukühlen
2. dem Fahrzeugtank vorgeschaltet, um ihn bei einer Temperatur von ungefähr -50°C mit Wasserstoff zu versorgen.

Wasserstoff-Puffertanks

In das System sind Niederdruck-, Mitteldruck- und Hochdrucktanks integriert. Sie können für verschiedene Zwecke eingesetzt werden:

• Beschleunigung der Fahrzeugtankbefüllung
• Verkleinerung der Kompressoren oder Reduzierung ihrer Betriebsgeschwindigkeit
• Verringerung der Wasserstofferwärmung bei der Kompression und dadurch Verkleinerung der Kühlsysteme

Die Puffertanks werden wie folgt unterschieden:

• Niederdruck-Tank
  1. Anfangsdruck: 380 bar
  2. Volumen: 500 l
• Mitteldruck-Tank
  1. Anfangsdruck: 580 bar
  2. Fassungsvermögen: 300 l
• Hochdruck-Tank
  1. Anfangsdruck: 850 bar
  2. Fassungsvermögen: 300 l

Steuerung

Zur Steuerung von Kompressoren und Systemventilen werden Steuerstrategien verwendet. Diese basieren auf einem Zustands-Controller. Die Zustandsübergänge werden hauptsächlich durch die Druckwerte im Rohrleitungswagen, in den Puffertanks und im Fahrzeugtank gesteuert.

Wenn der Fahrzeugtank an das Betankungssystem angeschlossen ist, werden die Ventile geöffnet, um den Druck im Fahrzeugtank an den Druck im Tankwagen anzugleichen. Dann können die Kompressoren aktiviert oder die Puffertanks verwendet werden.

Abb. 5: Steuerung von Ventilen und Kompressoren: Amesim-Block und die zugehörige Zustandssteuerungslogik.

Erster Fall: Auffüllen des Fahrzeugtanks ohne Verwendung der Puffertanks

Mit unserem Systemmodell können wir das Auffüllen des Tanks mit dem Wasserstoff aus dem Rohrauflieger und den beiden Kompressoren simulieren. Die Ventile der Puffertanks bleiben während dieses Vorgangs geschlossen. Die Simulation wird gestoppt, sobald der Druck im Fahrzeugtank den Zieldruck (700 bar) erreicht hat.

Eine erste interessante Möglichkeit, Simulationsergebnisse in Simcenter Amesim zu analysieren, ist die Verwendung der sogenannten Skizzen-Animation. Damit ist es möglich, auf der Modellskizze die dynamische Entwicklung des Drucks oder der Temperatur entlang des gesamten Prozesses und in den verschiedenen Systembereichen zu visualisieren (Abb.6 und Abb.7).

Abb. 6: Skizzen-Animation der Temperaturverteilung im System

Abb. 7: Skizzen-Animation des Druckverlaufs im System

Abb. 8: Entwicklung des Tankdrucks und der Wasserstoffmasse im Fahrzeugtank

Die maximale Leistungsaufnahme der beiden Kompressoren liegt bei 17,3 kW, der Energieverbrauch dieser Kompressoren bei 1,1 kW.h (Abb. 9).

Fig. 9: Entwicklung von Kompressorleistung und Energieverbrauch

Die beiden Wärmetauscher, die den Kompressoren nachgeschaltet sind, müssen in der Lage sein, einen Teil der Wärme zu entziehen, der 6,4 kW entspricht, während der Wärmetauscher, der dem Fahrzeugtank vorgeschaltet ist, in der Lage sein muss, 26 kW zu entziehen (Abb.10).

Abb.10: Wärmestromrate (Heat flow rate) der Wärmetauscher

Die Ergebnisse sind interessant und das Aufladen unseres FCEV in 8 Minuten ist bereits viel schneller als das Aufladen der Batterien eines BEVs (batteriebetrieben Elektrofahrzeugs). Dies ist jedoch nicht wirklich zufriedenstellend, da das Ziel darin besteht, den Tank eines PKWs in weniger als 5 Minuten wieder aufzufüllen.

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, dieses Ziel zu erreichen:

• Wir können zum Beispiel unser Modell ändern und prüfen, ob ein System mit 4 Kompressoren mit eigenen Wärmetauschern die Anforderungen erfüllen kann. Dies würde jedoch ein komplexeres und teureres System ergeben.
• Anhand des Modells lässt sich auch feststellen, dass eine Erhöhung des Verdrängungsvolumens der Kompressoren auf 320 cm/U auch eine Auffüllung des Fahrzeugtanks in weniger als 5 Minuten ermöglicht. Allerdings muss dann mehr Wärme mit Wärmetauschern entzogen werden, die den Kompressoren (14 kW) nachgeschaltet sind, und größere Kompressoren und Wärmetauscher sind teurer und verursachen sicherlich mehr Lärm.
• Eine andere, recht einfache Alternative wäre die Verwendung von Zwischentanks. Das ist es, was wir im zweiten Szenario betrachten werden.

Zweiter Fall:Nachfüllen des Fahrzeugtanks mit Hilfe von Speichertanks

Mit dem gleichen Systemmodell wie zuvor ist es möglich, Ventile zu steuern, um die Zwischentanks zu nutzen.

Sobald der Druck im Fahrzeugtank in der Nähe des Drucks in der Anhängerleitung liegt (200 bar), löst die Steuerstrategie die Öffnung des Ventils aus, das mit dem Niederdruck-Tank (380 bar) verbunden ist. Sobald der Druck im Fahrzeugtank mit dem Druck in diesem Speichertank ausgeglichen ist, wird das Ventil wieder geschlossen, und das Ventil des mittleren Tanks (580 bar) wird geöffnet. Schließlich, wenn der Druck im Fahrzeugtank mit dem des Mitteldruck-Speichertanks ausgeglichen ist, wird das Ventil wieder geschlossen und das Ventil des Hochdrucktanks (850 bar) wird geöffnet.

Wenn der Fahrzeugtank mit 700 bar gefüllt ist, werden schließlich die Kompressoren eingesetzt, um die Druckverhältnisse in den Speichertanks wieder auf ihr Ausgangsniveau zu bringen..

Abb.11: Skizzen-Animation der Temperaturverteilung im System

Auch hier können wir die Skizzen-Animation verwenden, um die dynamische Entwicklung von Druck oder Temperaturen in den verschiedenen Teilen des Systems während des gesamten Szenarios zu veranschaulichen (Abb.11).
Es ist auch zu erkennen, dass das System mit Hilfe der Zwischentanks in der Lage ist, den Fahrzeugtank schneller als in fünf Minuten wieder aufzufüllen. Das Ziel ist also erreicht: Das Elektrofahrzeuge mit Brennstoffzellenantrieb wird in einer Zeit aufgeladen, die der eines herkömmlichen Benzinfahrzeugs entspricht! Drei weitere Minuten werden dann vom System genutzt, um den Wasserstoff in den Tanks wieder auf den Ausgangsdruck zu bringen.

Abb.12: Skizzen-Animation der Temperaturverteilung im System

Als Nachteil ist jedoch festzustellen, dass die Komprimierung in diesem Fall mehr Leistung (bis zu 20 kW) und Energie (1,5 kWh) erfordert. Dies ist vor allem darauf zurückzuführen, dass der Wasserstoff im Hochdruck-Speichertank auf 830 bar verdichtet werden muss (Abb. 13).

Abb. 13: Komprimierungsleistung und -energie unter Verwendung der Zwischen-Tanks

Auf der anderen Seite gibt es fast keine Auswirkungen auf die Dimensionierung des Kühlsystems, da die maximale Wärmeleistung, die entnommen werden muss, ziemlich ähnlich ist (Abb. 14).

Abb. 14: Wärmestrom von Wärmetauschern mit Zwischenspeichern

Der Wettbewerbsvorteil von Simcenter Amesim

Simcenter Amesim zeichnet sich durch seine Fähigkeit aus, die einzigartigen Herausforderungen des Entwurfs zu bewältigen. Die wichtigsten Vorteile sind:

• Vordefinierte Bibliotheken: Modelle für Wasserstoffkomponenten, thermische Systeme und Steuerungen.
• Multidomain-Simulation: Integration von mechanischen, elektrischen, thermischen und Kontroll-Systemen.
• Benutzerfreundliche Schnittstelle: Vereinfachte Konfigurations- und Validierungsprozesse.
• Schnelle Tests mehrerer Szenarien: Simulieren und vergleichen Sie verschiedene Entwicklungs-Szenarien in Sekundenschnelle.
• Optimierungswerkzeuge: Feinabstimmung der Systemleistung zur Kostensenkung und Effizienzsteigerung.

Schlussfolgerung

Wasserstofftankstellen (Engl. HRS) sind entscheidend für die umfassende Einführung von Wasserstofffahrzeugen. Mit Simcenter Amesim erhalten technische Teams ein leistungsfähiges Werkzeug, um Systeme zu entwerfen, die sicher, effizient und kostengünstig sind. Von der Größenbestimmung der Komponenten bis zur Validierung der Steuerungsstrategien vereinfacht Amesim die Komplexität des HRS-Designs, beschleunigt die Entwicklung und reduziert die Kosten.

Zum Runterladen des Simcenter-Amesim-Demomodell , das für diesen Blog verwendet wurde, [hier] klicken

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