Wasserstofftankstellen

Gudrun unterhielt sich mit Meike Juliane Amtenbrink. Frau
Amtenbrink hat von September 2017 bis Februar 2018 am Fraunhofer
Institut für Solare Energiesysteme (ISE) in Freiburg
Wasserstofftankstellen modelliert. Die Niederschrift der
Ergebnisse bilden ihre Masterarbeit im Studiengang Energietechnik
am KIT . Gudrun hat die Arbeit von Seiten des KIT als
Erstgutachterin betreut.


Als kohlenstofffreier Energieträger ist Wasserstoff im weltweiten
Fokus der Forschung. Tanken mit Wasserstoff verspricht, den
CO2-Ausstoß des Verkehrssektors zu reduzieren, zusätzlich
ermöglicht die Umwandlung überschüssiger Strommengen in
Wasserstoff mittels Elektrolyse dringend benötigte Flexibilität
für die zukünftige Energieversorgung. Dafür müssen Tankstellen
zur Verfügung stehen. Auf dem noch jungen Markt hat sich auf der
Kundenseite bereits ein Standard etabliert, sodass alle
Besitzerinnen eines Brennstoffzellenfahrzeugs an jeder
Wasserstofftankstelle nachtanken können. Der technische Aufbau
der Tankstellentechnologie ist dabei, je nach Anwendung,
unterschiedlich. Teil der Arbeit war es einzuschätzen, welche
Konzepte für den zukünftigen Markt eine Rolle spielen. Aufgrund
der Vergleichbarkeit zwischen den relevanten Konzepten und dem in
der ISE-eigenen Tankstelle umgesetzten Aufbau, wurde die
institutseigene Tankstelle modelliert und die vorhandenen
Messdaten genutzt, um die Plausibilität der Ergebnisse zu
überprüfen.


Im Rahmen vorangegangener Abschlussarbeiten wurde am Fraunhofer
ISE ein Simulationsmodell eines Power-to-Gas-Systems auf Basis
der PEM-Elektrolyse erstellt. Dieses Modell hatte zum Ziel, das
dynamische Systemverhalten nachzubilden, Aussagen/Vorhersagen zum
realen Wirkungsgrad der Anlage zu geben und die tatsächliche
jährliche Wasserstofferzeugung zu prognostizieren. Darauf konnte
Frau Amtenbrink aufbauen.


In ihrer Arbeit wurde ein nulldimensionales, thermodynamisches
Realgasmodell einer Wasserstofftankstelle in MATLAB/Simulink
erstellt. Dafür wurden für die Einzelkomponenten einer
Wasserstofftankstelle die Enthalpie- und Stoffbilanzen
aufgestellt, in Simulink implementiert und über eine
Steuerungslogik zu einem Gesamtsystem verbunden. Mit dem
Tankstellenmodell können das Stand-by-Verhalten der Tankstelle
und der Betankungsvorgang sekundengenau simuliert werden.
Ergebnis sind die Drücke, Temperaturen und Stoffströme des
Wasserstoffs an den relevanten Stellen im Gesamtsystem und der
Energieverbrauch der Tankstelle, aufgeschlüsselt nach den
wichtigsten Einzelkomponenten.


Das Speichermodell kann auf Grundlage der Erhaltungsgleichungen
über die zu- und abfließenden Stoffströme den sich ergebenden
Druck und die Temperatur des Wasserstoffs im Speicher nachbilden,
wobei die Realgasgleichung nach Redlich und Kwong benutzt wurde.
Der Wärmeaustausch mit der Umgebung durch Konvektion und
Wärmeleitung ist berücksichtigt. Das Modell ist auf verschiedene
Speicher parametrisierbar und kann über die Anpassung der
Geometrie- und Materialwerte sowohl für die Druckbänke an der
Tankstelle, als auch für den Fahrzeugtank genutzt werden.


Die Speichermodelle zeigen eine sehr gute Übereinstimmung mit der
Realität. Die Drücke in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur und
die Temperaturerhöhung, die sich als Resultat einer
Speicherbefüllung ergibt, können nachgebildet werden, ebenso der
nach einer Befüllung erfolgende Temperaturausgleich mit
Druckreduzierung. Durch das Modell für die Rohrleitungen können
die Druckverluste innerhalb der Tankstelle abgebildet werden. Das
Modell ist durch die Wahl der Geometrieparameter auf
unterschiedliche Tankstellenkonfigurationen anwendbar.


Der Kompressor wurde isentrop modelliert und die
Verdichtungsarbeit mit einem isentropen Wirkungsgrad korrigiert.
Der Druckanstieg, der sich durch den Kompressor beim
Wiederbefüllen der Druckbank ergibt, ist durch die Simulation
genau wiedergegeben. Dadurch ergibt sich, dass die Dauer der
Speicherbefüllung zwischen Simulation und Messung übereinstimmt.


Zur Modellierung der Kältemaschine wurde der Kältemittelkreislauf
stark vereinfacht und durch eine Kälteleistung ersetzt, die von
der Umgebungstemperatur abhängt.


Für die wichtigsten Energieverbraucher an der Tankstelle,
Kompressor und Kältemaschine, wurden Modelle erstellt, durch die
der Energieverbrauch in Abhängigkeit der Betriebsführung
berechnet werden kann. Nach der anschließenden Validierung kann
das Modell dazu dienen, die Hauptenergieverbräuche an der
Tankstelle zu quantifizieren und die Größe der einzelnen
Komponeten optimal aufeinander auszulegen. Damit kann in Zukunft
entschieden werden, ob zum Beispiel die Betriebsführung der
Kältemaschine zur Optimierung des Gesamtwirkungsgrades verändert
werden sollte.


Literatur und weiterführende Informationen

Pressemitteilung des H2-Tankstellen-Konsortiums

App zum Auffinden von Wasserstofftankstellen sowie Karte mit
Wasserstofftankstellen in Deutschland

Informationen zur ersten H2-Tankstelle in Karlsruhe

https://pem-electrolysis.de Homepage des Bereichs
Wasserstofftechnologien am Fraunhofer ISE

H.D. Baehr und S. Kabelac. Thermodynamik: Grundlagen und
technische Anwendungen. Berlin, Heidelberg: Springer Berlin
Heidelberg, 2012. 978-3-642- 24160-4. doi:
10.1007/978-3-642-24161-1, 2012.

E. Rothuizen e.a: Optimization of hydrogen vehicle refueling
via dynamic simulation. International Journal of Hydrogen Energy
Vol. 38, No. 11, p. 4221-4231, 2013.

A. Huss und M. Corneille. Wasserstoff-Tankstellen. Ein
Leitfaden für Anwender und Entscheider. Wiesbaden: Hessisches
Ministerium für Umwelt, Energie, Landwirtschaft und
Verbraucherschutz, 2011.



Podcasts

F. Schueth, T. Pritlove: Energieforschung, Episode 12 im
Forschergeist Podcast, Stifterverband/Metaebene, 2015.

M. Voelter, D. Schumann: Elektromobilität, Episode 163 im
omega tau Podcast, 2015.