Wasserstofftechnologien

 

Die Gruppe Wasserstofftechnologien ist Teil der Abteilung Energiesysteme und forscht an neuartigen regelungstechnischen Verfahren für wasserstoffbasierte Energiesysteme. Forschungsschwerpunkte sind hierbei die Regelung der Brennstoffzelle sowie solarthermischer Kraftwerke zur Strom- oder Wasserstofferzeugung.

Ansprechpartner

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Rudolf Popp

Gruppenleiter Wasserstofftechnologien

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+49 241 80 27507

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Wasserstofftechnologien

Die Gruppe Wasserstofftechnologien forscht an innovativen, modellbasierten Regelungskonzepten, die einen effizienten und sicheren Betrieb von Energiesystemen ermöglichen. Moderne Energiesysteme besitzen zahlreiche, häufig miteinander gekoppelte Eingangs- und Ausgangsgrößen, sodass konventionelle Regelungsstrukturen das volle Potential der Systeme nur unzureichend ausnutzen. Die Gruppe Wasserstofftechnologien entwickelt Lösungen für derartige regelungstechnische Probleme im Bereich der Energieumwandlung. Dabei sind Prozesse mit Wasserstoff als Energieträger im Fokus: Von Regelungskonzepten für die Energieerzeugung in solarthermischen Kraftwerken bis hin zur Reglerentwicklung für Brennstoffzellen und deren Einsatz in mobilen und stationären Anwendungen umfassen unsere Forschungsthemen ein breites Spektrum.

 
 

 

Brennstoffzelle: Hybride Energiespeichersysteme

Um Schwankungen im Energieangebot zu kompensieren werden Speichersysteme zukünftig an Bedeutung gewinnen. Entscheidend für deren wirtschaftlichen Einsatz sind Regelungs- und Steuerungsstrategien, die neben den technischen auch ökonomischen Aspekten, wie Preisschwankungen im Betrieb, berücksichtigen. Die Entwicklung solcher Regelungsverfahren für einen optimalen Speicherbetrieb stellt einen weiteren Forschungsschwerpunkt der Gruppe Wasserstofftechnologien dar. Insbesondere wird dabei auch Möglichkeiten eines dynamischen Betriebs der Brennstoffzelle untersucht.

Prinzipiell werden Speicher in unterschiedlichsten Anwendungen eingesetzt: in Industrieprozessen, in regenerativen Kraftwerken oder an zentralen Knotenpunkten im elektrischen Netz.

Gemeinsam ist diesen Anwendungen, dass die Regelung mindestens folgende zwei Aufgaben erfüllen muss:

 
  • Technische Aufgabe: Energiedefizite ausgleichen
  • Ökonomische Aufgabe: Betriebskosten minimieren

Speichersysteme und die dazugehörige Regelungsaufgabe zeichnen sich durch folgende Eigenschaften aus:

  • Vielfach kann die eingespeicherte Energie in den unterschiedlichen Verbrauchssektoren Strom, Wärme oder Mobilität weiterverwendet werden, so dass es sich hierbei um Mehrgrößensysteme handelt.
  • Technologieabhängig stellen Speichersysteme nichtlineare oder verteilte Prozesse dar. Elektrolyse-Speicher-Systeme beispielsweise sind hochgradig nichtlinear, während thermische Speicher am besten durch partielle Differentialgleichungen beschreibbar sind.
  • Das Regelungsproblem ist durch stochastische Größen bestimmt, wie beispielsweise zukünftige Preis-, Einspeise- oder Nutzungsdaten. Eingesetzte Regelungsverfahren müssen mit diesen Unsicherheiten arbeiten können.
  • Die rein technische Betrachtung des Systems ist nicht zielführend und muss stets durch ökonomische Aspekte ergänzt werden.
 

In Zusammenarbeit mit Experten der Bereiche Speichertechnologien und Energiesysteme forscht die Gruppe Wasserstofftechnologien an modernen Regelungsverfahren, die die oben genannten Anforderungen erfüllen. Ausgangspunkt derartiger Arbeiten sind Modellrechnungen zukünftiger Energieszenarien, wie sie beispielsweise dem „Energiekonzept 2050“ zugrunde liegen. Unsere Aktivitäten konzentrieren sich vorwiegen auf:

  Brennstoffzellenhybridprüfstand am IRT Urheberrecht: © Heliocentris Brennstoffzellenhybridprüfstand am IRT
  • Die Entwicklung von Regelungskonzepten, die wirtschaftliche und technische Aspekte des Betriebs handhaben können. Aufgrund der unterschiedlichen Zeitkonstanten dieser Prozesse sind mehrstufige Konzepte zielführend.
  • Die Entwicklung physikalischer White-Box Modelle der Speicher- und Energiesysteme und systematische Reduktion dieser für die Nutzung in Echtzeitanwendungen.
  • Der Aufbau adaptiver Modellbasierte Prädiktiver Regelungen sowie gemischt-ganzzahliger und nichtlinearer Optimierungen, um damit den Speicherbetrieb in Echtzeit zu optimieren.
  • Die Nutzung unsicherer und beschränkter Preis- und Einspeisedatenvorhersagen mit dem Ziel Regelungsverfahren von praktischer Relevanz zu entwickeln und belastbare Aussagen über die Umsetzbarkeit von Energieszenarien zu generieren.
 
 

 

Brennstoffzelle: Hochdynamische Regelung

Als Alternative zu reinen Batterie-basierten Antriebsstränge wird des Weiteren auch die Regelung der Brennstoffzelle selbst von der Gruppe Wasserstofftechnologien untersucht. Dabei stellen neben der nichtlinearen Prozessdynamik auch die stark unterschiedlichen Zeitskalen besondere regelungstechnische Herausforderungen dar. Zur dynamischen Leistungsbereitstellung kommen daher hierarchische, nichtlineare modellprädiktive Regelungen zum Einsatz, welche die Betriebsgrenzen des Brennstoffzellenstacks zugunsten einer hohen Lebensdauer und der zur Luftversorgung notwendigen Nebenaggregate explizit berücksichtigen. Dadurch kann gegenüber einem quasistatischen Betrieb eine höhere Gesamteffizienz erreicht werden.

  Brennstoffzellenprüfstand am TME Urheberrecht: © TME Brennstoffzellenprüfstand am TME

Als Basis für die Regelung werden mathematische Modelle der Brennstoffzelle und der zugehörigen Systemkomponenten entwickelt. Diese enthalten neben dem detaillierten dynamischen Verhalten ebenfalls wichtige systeminterne, nicht messbaren Zustandsgrößen, die die Degradation bedingen. Zur Validierung der Verfahren werden sowohl eigene Prüfstände als auch die Prüfstände von Projektpartnern eingesetzt, auf welchem die zugrundeliegenden Modelle validiert werden können.

 

Solarthermische Kraftwerke

Bei den solarthermischen Kraftwerken beschäftigt sich die Gruppe Wasserstofftechnologien mit der Regelung von konzentrierenden Solarsystemen (Concentrated Solar Power: CSP) wie dem Solarturmkraftwerk. Dabei wird das Sonnenlicht mit mehreren tausend Spiegeln auf einem Receiver an der Spitze des Turms fokussiert. Die hohen Wärmestromdichten, die dabei entstehen, lassen sich auf vielfältige Weise nutzen, z.B. um über einen Wärme-Kraft Prozess Strom zu erzeugen oder in einem chemischen Prozess Wasserstoff zu produzieren.

  Solarthermisches Kraftwerk des DLR Urheberrecht: © DLR Solarthermisches Kraftwerk des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) am Standort Jülich: Mulitfokusturm (rechts) dient als Demonstrator für die Forschung an solarer Wasserproduktion.

Die Herausforderungen bei der Regelung

  • liegen in der Maximierung des Ertrags bei Einhaltung zulässiger Grenztemperaturen und Temperaturgradienten, die zu mechanischen Spannungen und Materialschäden führen können. Insbesondere Wolkendurchzüge mit stark wechselnden Strahlungsleistungen stellen kritische Betriebszustände dar.
  • Die Systeme sind nichtlinear verteilt-parametrisch.
  • Mit der Verteilung der Sonnenstrahlung durch die Spiegel und dem Stellen eines Massenstromes im Receiver handelt es sich um ein System mit mehreren Stellgrößen.
  • Ein Wolkenkamerasystem liefert durch Beobachtung der Wolken eine kurzfristige Vorhersage der Sonneneinstrahlung, die als Information mit Unsicherheiten zu berücksichtigen ist.

Zur Lösung der sich ergebenden Problemstellungen wird an der Anwendung verschiedener Methoden geforscht:

  • Modelbasierte Prädiktive Regelung und Anwendung robuster Verfahren
  • Einsatz von Beobachtern zur Schätzung nichtmessbarer kritischer Systemzuständen
  • Entwurf von reduzierten, echtzeitfähigen White-Box und Black-Box Modellen
  • Verteilparametrische Entwurfsmethoden und Modellreduktionsverfahren
 

Abschlussarbeiten und HiWi-Tätigkeiten

In all diesen Themenfeldern suchen wir ständig nach engagierten und motivierten Studierenden für Abschlussarbeiten und HiWi-Tätigkeiten. Gerne können Sie sich initiativ bei uns bewerben!

 

Weitere Projekte der Gruppe Wasserstofftechnologien

Akronym Projekttitel
BZBModellbasierte Schätzung von internen Brennstoffzellenzuständen
HyInnoPEMMobile Antriebe mit zukunftsweisenden Brennstoffzellensystemen- Zustandsüberwachung und robuste Regelung unter Berücksichtigung der Degradation
DynaCellDynamischer Betrieb eines Brennstoffzellensystems für einen erweiterten Einsatz in mobilen und stationären Anwendungen
SolarFuelNowEffiziente Regelung solarer Kraftstoffproduktion mit DNI Nowcasts
DynaSalt IIRegelung des transienten einphasigen Betriebs von Salzschmelzereceivern
mobilEMGraduiertenkolleg "Integrierte Energieversorgungsmodule für straßengebundene Elektromobilität"