Simulative Untersuchung der Befüll- und Entnahmevorgänge in Wasserstoffspeichersystemen

Herausforderung

Wasserstoff ist ein Schlüsselbrennstoff für die Erreichung der Ziele einer nachhaltigen Energieversorgung, kann aber bei einem Druck von bis zu 1000 bar und im Temperaturbereich von -40°C bis +85°C nicht mehr als ideales Gas behandelt werden.

Daher ist es, unabhängig von der Anwendung, recht schwierig, Wasserstoffspeicher- und
-verteilungssysteme "von Hand" zu entwerfen.

Randbedingungen

Typische Wasserstoffspeichersysteme bestehen aus mehreren Ventilen und Behältern, die über ein verzweigtes Rohrleitungsnetz verbunden sind. Die technischen Herausforderungen, die sich aus diesen Anforderungen ergeben, sind:

• Beim Befüllen des Wasserstoffspeichers steigt die Temperatur in den Behältern. Je schneller die Befüllung erfolgt, desto höher ist die Temperatur. Wird eine bestimmte Temperaturschwelle überschritten, können die Behälter beschädigt werden, was zum Auslaufen von Wasserstoff oder sogar zum Zerfall der Behälter führen kann.
• Um Schäden an den Speicherbehältern zu vermeiden und einen hohen Wirkungsgrad an den Brennstoffzellen zu erhalten, sind individuelle Strategien zur Betankung und Verteilung erforderlich, um den Temperaturhaushalt des Systems zu kontrollieren.
• Im Betrieb können dynamische Wechselwirkungen zwischen dem Speichersystem und der Brennstoffzelle oder dem Verbrennungsmotor als Verbraucher zu unerwarteten Flüssigkeitsschwingungen im System führen.

Lösung

Die DSHplus Bibliothek für Rohrleitungssysteme von FLUIDON ermöglicht es, solche Systeme zu modellieren und die instationäre Änderung von Druck, Temperatur und Massenstrom von Wasserstoff innerhalb des Systems zu simulieren.

Vorteile

• Detailierteres Verständnis des internen dynamischen Systemverhaltens
• Verringerung des Fehlerrisikos durch Auswahl der richtigen Bauteilgrößen und Bauteildynamik
• Beschleunigung der Entwicklung durch Auswahl des richtigen Gestaltungsentwurfs beim ersten Versuch
• Optimierung der Regelstrategie in Kombination mit virtueller Systembewertung

Berücksichtigte pysikalische Effekte

• Joule-Thomson-Effekt (Temperaturänderung durch isenthalpe Drosselung).
• Dissipative Erwärmung des Fluids aufgrund von Reibung
• Druck- und temperaturabhängige Fluideigenschaften auf der Grundlage einer umfangreichen Fluidbibliothek
• Stationäre und instationäre Rohrreibung (Erhöhung des Druckverlustes durch instationäre Strömung)
• Konvektiver Wärmeübergang vom Fluid durch die Rohrwand an die Umgebung und umgekehrt

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