Wasserstoff in der Fabrik – Das Projekt H2 Digital bietet Lösungen

Wasserstoff als Energieträger hat in letzter Zeit aufgrund seines Potenzials zur Bekämpfung des Klimawandels große Aufmerksamkeit erlangt. Seine Eigenschaften als Energiespeichermedium können dazu beitragen, die Energieversorgung aus intermittierenden erneuerbaren Quellen wie Sonne und Wind zu stabilisieren. Die Forschung auf dem Gebiet des Wasserstoffs zielt darauf ab, die Energiematrix zu diversifizieren und unsere Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu verringern und gleichzeitig neue wirtschaftliche Möglichkeiten in verschiedenen Sektoren zu schaffen.

Details über das H2-Digital Projekt

In diesem Zusammenhang konzentrierte sich das Projekt H2-Digital auf die Entwicklung einer Softwareplattform zur Modellierung und Simulation der grünen Wasserstoffwirtschaft, von der Produktion mit erneuerbaren Energiequellen wie Sonne und Wind bis hin zu ihrer Nutzung. Am Fraunhofer IWU entwickelten wir Nutzungsszenarien in einem industriellen Kontext, in dem Wasserstoff zur Stromerzeugung in Brennstoffzellen eingesetzt wird. Auf diese Weise konnten wir untersuchen, wie sich Wasserstoff am besten mit anderen erneuerbaren Energiequellen kombinieren lässt, wie verschiedene Erzeugungssysteme dimensioniert werden können und welche Versorgungsstrategie für eine bestimmte Produktionsanlage am besten geeignet ist.

Mit Hilfe von realen, anonymisierten und für diese Analyse angepassten Lastprofilen von Referenzfabriken aus der metallverarbeitenden Industrie erstellten wir vereinfachte Modelle von Stromversorgungssystemen in Top Energy. Top Energy ist eine spezielle Software zur Optimierung von Energiesystemen. Neben dem Anschluss an das Verteilnetz wird die Fabrik gespeist aus einer Brennstoffzelle, einer Windkraftanlage, einer Photovoltaikanlage und einem Batteriespeichersystem. Das Ziel dieser ersten Modelle war es, einen Ausgangspunkt für komplexere energetische Analysen zu schaffen, bei denen der Materialfluss und das Verhalten der verschiedenen am Produktionsprozess beteiligten Maschinen und Roboter berücksichtigt werden.

Abbildung 3: Jahreslastprofil eines Produktionsunternehmens in der Metallverarbeitung

Jedes Erzeugungssystem wurde nach unterschiedlichen Kriterien ausgelegt. Einerseits wird das Brennstoffzellensystem so dimensioniert, dass es den Grundbedarf deckt, wobei eine kontinuierliche Versorgung mit Wasserstoff und ein Dauerbetrieb bei Volllast angenommen wurde. Andererseits wird die Photovoltaikanlage so ausgelegt, dass sie die gesamte nutzbare Dachfläche der Fabrik abdeckt. Der Batteriespeicher wurde zum Ausgleich von Last- und Erzeugungsspitzen im Tagesverlauf ausgelegt. Die Windkraftanlage wurde nach einem technisch-wirtschaftlichen Vergleich verschiedener Varianten des Gesamtsystems dimensioniert, um die für den Versorgungsbedarf der Fabrik am besten geeignete Turbinengröße auszuwählen.

Modellieren des Produktionsprozesses in der Metallverarbeitungsindustrie

Parallel zur Dimensionierung der Stromerzeugungsanlagen wurde der Produktionsprozess in der metallverarbeitenden Fabrik modelliert. Zu diesem Zweck wurden hochauflösende Modelle der beteiligten Maschinen und Roboter entwickelt und der Materialfluss ermittelt. Aus der Kombination von beidem ermittelten wir den Energiebedarf der Fabrik mit einer Auflösung von 15 Minuten . Die Skalierung der Anzahl von Robotern und Maschinen einer Arbeitsgruppe auf den gesamten Produktionsbereich einer Fabrikhalle ermöglicht die Erstellung von dynamischen Lastprofilen, die für die weitere energetische Simulation genutzt werden können.

Übersichtliche Darstellung eines Gesamtsystems, welches den Vergleich und die Evaluation von Energieerzeugungssystemen ermöglicht.

In Kombination mit anderen hochauflösenden Functional Mockup Units (FMU) von Energieerzeugungssystemen kann ein Gesamtsystem wie in Abbildung 2 dargestellt erstellt werden, dass den Vergleich und die Bewertung von Energieversorgungsstrategien anhand von Kriterien wie Autarkie ermöglicht. Der Fokus liegt dabei immer auf dem Betrieb der Brennstoffzelle, da die Nutzung von Wasserstoff das zentrale Thema des Projekts ist. Die entwickelten Modelle und Verfahren dienen als Grundlage für die Arbeiten des H2-Mare-Nachfolgeprojekts des Fraunhofer IWU.

Abbildung 4: Überblick über die verschiedenen Modelle und ihre Zusammenhänge

Unser Ziel als Fraunhofer IWU ist nicht nur die Simulation von  wasserstoffbasierten Energieerzeugungsszenarien in der Industrie, sondern auch die praktsiche Umsetzung. Deshalb entsteht neben der Zukunftsfabrik ein Wasserstoffkraftwerk, in dem unser Team an verschiedenen Aspekten und Lösungen für die stationäre Nutzung von Wasserstoff im industriellen Bereich arbeitet. Wenn Sie mehr über den Fortschritt des Projekts erfahren möchten, sollten Sie diesen Artikel lesen.