Wasserstoffversorgungssystem für PUMAc-Fx

FLUIDON ist Partner im Teilprojekt Fuel Supply (FLY) des Innovationsbündnis PUMAc-Fx.

PUMAc-Fx steht für ein Innovationsbündnis aus Industrie & Forschung zum Aufbau ultraleichter Wasserstoff-Gasturbinen-Aggregate in Aachen (Power Units Made in Aachen – Fuel X). Im Schulterschluss zwischen Industrie und Forschung wird ein neues, klimafreundliches Antriebssystem geschaffen, welches – modular aufgebaut – für Luftfahrtanwendungen, z.B. in modernen Air Taxis, genauso gut geeignet ist wie zur stationären Stromversorgung oder als Schiffsantrieb.

Eine der Herausforderungen des Vorhabens, ist die Entwicklung eines luftfahrttauglichen Energieerzeugungssystems, dem sogenannten GenSet. Das GenSet umfasst die Bauteile 700 bar H2-Druckspeicher, Druckminderer, Ventile, Gasturbine, Generator, Umrichter und Pufferbatterien sowie die Steuereinheit.

Teilprojekt Fuel Supply (FLY)

Im Teilprojekt FLY wird das Wasserstoffversorgungssystem des GenSets vom Hochdrucktank bis zur Gasturbine der PUMAc-Fx-Aggregate ausgelegt und simuliert. FLUIDON erweitert hierzu die DSHplus-Bauteilbibliothek um die komponentenspezifischen Besonderheiten von Wasserstoffversorgungssystemen.

Aus Simulationsmodellen der Teilprojekte FLY, GTS, GPE und der Lastspezifikation aus SYD wird anschließend mit dem Virtual Engineering Lab (VEL) von FLUIDON ein digitaler Zwilling des GenSets des PUMAc-S-Aggregates aufgebaut, mit dem die Projektpartner ein vertieftes Systemverständnis hinsichtlich der dynamischen Wechselwirkungen innerhalb des GenSets erarbeiten.

Der digitale Zwilling des GenSets wird zur simulationsbasierten Anforderungsanalyse für Stell- und Regelglieder und zur virtuellen Inbetriebnahme der Wasserstoffverteilsystemregelung und der GenSet-Regelung eingesetzt.

Ziele der modellbasierten Entwicklung und der virtuellen Inbetriebnahme sind:

  • Interdisziplinäres Arbeiten, um eine bessere Qualität des Produktdesigns zu erhalten.
  • Designprobleme früher im Projektverlauf zu identifizieren und so noch kostengünstig korrigieren zu können.
  • Die Steuerungssoftware auch ohne real verfügbare Hardware zu konzipieren, zu testen und zu optimieren.
  • Die Inbetriebnahmezeit des GenSets zu verkürzen, wodurch das Innovationsbündnis mehr Zeit zur praktischen Erprobung des Demonstrators erhält.

Simulation von Wasserstoffleitungssystemen mit DSHplus

DSHplus verfügt bereits über eine umfangreiche Bibliothek aus Rohrleitungen, Ventilen, Widerständen und Sonderbauteilen.
Die Modellierung der Rohrtung erfolgt als „1D-CFD“ (im Gegensatz zu diskreten 0D-Modellen), wodurch auch hochfrequente Druckwellen abgebildet werden.

Das Video präsentiert die Druckminderung eines Wasserstoffversorgungssystems durch ein Ventil und verdeutlicht die Temperaturerhöhung im abströmenden Fluid aufgrund des Joule-Thomson-Effekts.

Die Simulationsmodelle berücksichtigen die folgenden Erhaltungsgleichungen:

  • Impulsgleichung
  • Kontinuitätsgleichung
  • Energiegleichung

Die Gleichungen sind so formuliert, dass Strömungen von Flüssigkeiten, idealen Gasen und realen Gasen simuliert werden können.

Die Modelle der Rohrleitungen bilden die folgenden physikalischen Effekte/Phänomene ab:

  • Joule-Thomson-Effekt (Temperaturänderung infolge isenthalper Drosselung)
  • Beliebige Stoffeigenschaften (müssen als „Kennfeld“ in Abhängigkeit von Druck und Temperatur hinterlegt werden)
  • Stationäre und instationäre Reibung (Störung des Geschwindigkeitsprofils bei instationärer Strömung, sodass mehr Reibungsverluste entstehen)
  • Wärmeübergang Fluid-Rohrwand-Umgebung
  • Dissipative Erwärmung des Fluids infolge Reibung
  • Transport, Lösung und Ausgasung von Gasanteile in der Flüssigkeit
  • Einfluss von nachgiebigen Rohr-/Schlauchleitungen (linear-elastisch, linear viskoelastisch) auf die scheinbare („effektive“) Schallgeschwindigkeit des Fluids
  • (Fluid-Struktur-Interaktion)