Modellierung

Verfahrenskonzepte und die Systemanalyse leisten einen unverzichtbaren Beitrag bei der Entwicklung von neuen Energieumwandlungssystemen. Am IEK-14 werden Bordstromversorgungssysteme (engl. Begriff Auxiliary Power Unit: APU) auf Basis flüssiger Kraftstoffe unter Nutzung der Reformierungstechnologie und verschiedener Brennstoffzellentypen analysiert.

Die Ergebnisse der Entwicklung von Verfahrenskonzepten mit der Simulationssoftware Aspen Plus® für Brennstoffzellensysteme stellen sich in Verfahrensschaltbildern und Energiebilanzen dar. Eine vergleichende Verfahrensbewertung konkurrierender Energieumwandlungssysteme schließt sich dem an. Dabei werden ausgewählte Systeme und Systemvarianten aufgrund ihrer Relevanz der Einsatzbedingungen in einer detaillierten Simulation bezüglich des Energiebedarfs und anderer Zielgrößen untersucht. Die Anzahl und die Art der Zielgrößen hängt von der Anwendung ab. In Flugzeugen werden multifunktionale Brennstoffzellensysteme benötigt, die neben Strom Wasser und Gase für die Tankinertisierung bereitstellen. Als wichtige Analysewerkzeuge zur Beurteilung der Systemsimulationen werden Methoden der statistischen Versuchsplanung und Pinch-Point Analysen herangezogen.

Für die dynamische Modellierung der Brenngaserzeugung und von Brennstoffzellensystemen werden die Software MATLAB® Simulink® und ANSYS® Fluent® verwendet. Simulink® ermöglicht die hierarchische Modellierung mit Hilfe grafischer Blöcke. Dabei stellt Simulink® einen Grundstock an kontinuierlichen und diskreten Schaltblöcken zur Verfügung. Zusätzlich werden am IEK-14 mit sogenannten S-Functions eigene Codes in das Modell integriert. Der Datenfluss zwischen den Blöcken wird grafisch über Verbindungslinien realisiert. Die charakteristischen Daten der einzelnen Komponenten werden über in Simulink auf dessen Oberfläche oder in C-Code (S-Functions) programmierte Modelle, Datentabellen oder in MATLAB® (m-Files) abgelegt. Für die dynamische Modellierung sind die experimentelle Bestimmung und/ oder die theoretische Ableitung des Dynamikverhaltens der Komponenten entscheidend. In den letzten Jahren wird im Wesentlichen das Startverhalten von Brennstoffzellen für die Bordstromversorgung untersucht. Mit Hilfe der Modellierung mit Simulink können schon im Vorfeld geeignete Verfahren und Startkomponenten selektiert werden. Der exakte Einfluss der Reaktorgeometrie auf die Startzeit kann mit dynamischer Modellierung mit ANSYS® Fluent® überprüft werden. Dabei werden die Stellen in Reaktoren und Systemen identifiziert, die das Startverhalten des Systems negativ beeinflussen. Um den Startvorgang durch ortsaufgelöste zweidimensionale strömungsdynamische Simulationen optimieren zu können, werden experimentell validierte Zweizonenmodelle für poröse Körper in transienten Simulationen eingesetzt. Die Kopplung der Reaktoren zu einem System wird mit Hilfe von benutzerdefinierten Funktionen realisiert. Für die dreidimensionale Optimierung der Systeme wurde eine optimierte Vernetzungsmethodik erarbeitet, um die Rechenzeit der Simulationen stark zu verringern ohne Verzicht auf die Qualität der Ergebnisse. Dabei werden die Rechengitter mit überwiegend konformer Grenzflächenvernetzung aber mit vereinzelter Verwendung von Interfaces erstellt.