Förderprojekt Hy-FCD

  Materialumschlagmaschine auf einem Schrottplatz während sie Metallschrott sortiert Urheberrecht: © Terex Deutschland GmbH

Heavy-Duty Hydrogen Fuel Cell Drives - Hybride Brennstoffzellenantriebe für mobile Arbeitsmaschinen

01.08.2022

Steckbrief

Eckdaten

Laufzeit:
01.08.2022 bis 31.07.2025
Akronym:
Hy-FCD
Gruppe:
Wasserstofftechnologien
Fördergeber:
BMWK

Kontakt

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+49 241 80-28012

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Motivation

Im Zuge der Dekarbonisierung des Verkehrssektors bieten H2-BZ-Antriebe gegenüber dieselmotorischen Antrieben eine Möglichkeit im Einsatz mobiler Arbeitsmaschinen die Klimaschutzziele der Bundesregierung zu adressieren.

Der domänen- und disziplinübergreifende MBSE-Entwicklungsansatz (Model-Based-System-Engineering) verknüpft technische mit technoökonomischen Aspekten in einem Systemmodell. Das MBSE schafft eine einheitliche Datengrundlage (Single Source of Truth), formale Modellspezifikationen (Modellontologien) und Modellierungssprache (SysML). Die Komplexität wird handhabbar und die Modelldokumentation systematisch und transparent, wodurch der Wissensaustausch begünstigt wird. Im Projekt wird dieser systemanalytische Ansatz angewendet und für FuE von H2-BZ-Antrieben weiterentwickelt. Das Projekt trägt dadurch zum Ziel der Entwicklung systemanalytischer Werkzeuge mit fachdisziplinübergreifender Beteiligung im 7. Energieforschungsprogramm der Bundesregierung bei.

 
 

Projektziele und Methoden

Gefördert durch Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz

Gesamtziel des Projekts ist die Entwicklung und Anwendung eines MBSE-Systemmodells zum Zweck der Neuentwicklung von wirtschaftlichen Maschinenkonzepten mobiler Arbeitsmaschinen mit H2-BZ-Antrieben. Dies ermöglicht die Verknüpfung von technischen (Robustheit, Dynamik, Sicherheit, Betriebsführung) und technoökonomischen (Kosten (LCC), Umfeld) Sichtweisen auf hybride H2-BZ-Antriebe. So werden technische Anforderungen erfüllt und die Systemkomplexität handhabbar. Die Sichtweisen werden durch geeignete domänenübergreifende Teilmodelle repräsentiert.
Die methodische Entwicklung wird im Projekt dazu verwendet, einen hybriden H2-BZ-Antrieb füreine Materialumschlagmaschine zu entwickeln und diese umzurüsten.
Das Institut für Regelungstechnik ist dabei verantwortlich eine modellbasierte Regelung eines hybriden Antriebs als Betriebsstrategie einer Materialumschlagmaschine zu entwickeln und an einem Demonstrator zu erproben. Die Betriebsstrategie ist in der Betriebsführung für die effiziente Bereitstellung der angeforderten Antriebsleistung zuständig. Dazu empfängt sie Informationen vom Fahrzeug, Fahrer und ggf. der Umgebung, verarbeitet die Daten und berechnet die Stellsignale für die Aktuatoren.
Übergeordnete Regelziele sind die optimale Leistungsversorgung aus Batterie und Brennstoffzelle sowie die Leistungsverteilung auf die Fahr-, Arbeits- und Nebenantriebe. Dabei stellen die Dynamik, Sicherheit, Effizienz und Robustheit die Faktoren zur Beschreibung des optimalen Betriebs dar. Die Brennstoffzelle soll einerseits möglichst dynamisch den intermittierenden Leistungsansprüchen folgen. Gleichzeitig soll ihr Betrieb insbesondere im transienten Fall innerhalb der Grenzen eines sicheren Arbeitsbereichs liegen, um ihren Verschleiß zu minimieren. Dabei fängt die Batterie die auftretenden Leistungsspitzen ab. Je geringer diese ausfallen, desto kleiner kann die Batterie ausgelegt werden. Dadurch können die Lebenszykluskosten reduziert und die Wirtschaftlichkeit verbessert werden. Da die für Arbeitsmaschinen typischen rauen Betriebsbedingungen (unwegsames Gelände, Verschmutzung, Gesteinsbewegungen) das Betriebsverhalten beeinflussen und große Lastsprünge zur Folge haben können, muss die Regelung robust ausgelegt werden, um ein möglichst stabiles Betriebsverhalten in unterschiedlichen Situationen zu gewährleisten.

 

Innovationen und Perspektiven

Die folgenden drei erforderlichen Projektbestandteile für einen breiten Markthochlauf brennstoffzellenbetriebener mobiler Arbeitsmaschinen, können effektiv und effizient hinsichtlich von Kosten und Risiko besonders gut im Verbund von Industrie und unter Einbeziehung von Forschungseinrichtungen erreicht werden. Dabei handelt es sich um:

  1. Die Entwicklung und Konstruktion eines Prototypens einer mobilen Arbeitsmaschine mit H2-BZ-Antrieb.
  2. Die Fertigung, den Aufbau und die Erprobung dieses Prototypens.
  3. Die Entwicklung eines Systemmodells zur Sicherstellung der wirtschaftlich und technisch optimalen Systemauslegung unter heutigen sowie zukünftigen Randbedingungen.

Das im Projekt erzeugte MBSE-Modell schafft und begleitet Transformationsprozesse hin zur Wasserstoffmobilität im Bereich mobiler Arbeitsmaschinen. Dadurch werden auf Systemebene Entwicklungsaufwand, -zeit und -risiko neuer Antriebskonzepte reduziert. Die Übertragung der H2-BZ-Antriebe auf weitere mobile Arbeitsmaschinen wird begünstigt, was in Zukunft die Marktdurchdringung erhöht und so die Kostendegression der H2-Technologie beschleunigt. Die Anwendungsbereiche der H2-BZ-Antriebe werden erweitert und der Wasserstoff als Energieträger etabliert. Im Einklang mit den Zielen des Förderaufrufs „Technologieoffensive Wasserstoff“ und der Nationalen Wasserstoffstrategie wird ein Beitrag zur Wettbewerbsfähigkeit von Wasserstoff insbesondere in Deutschland geschaffen.

 
Projektpartner