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Multiphysiksimulation erlaubt Einblicke in den Elektrolyseprozess

Simulation in der Produktentwicklung
Multiphysiksimulation erlaubt Einblicke in den Elektrolyseprozess

Grüner Wasserstoff ist die Energie der Zukunft. Die dazu notwendige Technologie, die Wasser mit Hilfe von Strom in Wasserstoff und Sauerstoff spaltet, erreicht gerade den industriellen Maßstab. Einer der Pioniere der Wasserstofferzeugung ist Sunfire aus Dresden. Für die hochkomplexen Berechnungen der Abläufe im Elektrolyseur nutzt Sunfire die Multiphysiksimulationssoftware von Ansys. Das Systemhaus Inneo hilft den Wasserstoffpionieren dabei, ihre Simulationen möglichst realistisch und gleichzeitig effizient zu gestalten.

Dipl.-Ing. Ralf Steck, freier Fachjournalist für die Bereiche CAD/CAM, IT und Maschinenbau, Friedrichshafen

Inhaltsverzeichnis

1. Simulation stellt effiziente Funktion sicher
2. Simulation vertieft das Anlagenverständnis
3. Know-how zum Einsatz der Software
4. Spezielle Module für Brennstoffzellen und Elektrolyseure
5. Zum Unternehmen Sunfire
6. Aufbau eines Elektrolyseurs

Für die Wasserstofferzeugung kann die Sunfire GmbH aus Dresden gleich mit zwei Technologien an den Start gehen: Neben der Festoxid-Elektrolysezelle (solid oxide electrolysis cell, SOEC) bietet sie auch alkalische Elektrolyseure an. Beiden gemein sind extreme Bedingungen. In einem SOEC-Turm herrschen im Betrieb Temperaturen von mehr als 800 °C, Alkali-Stacks arbeiten bei Drücken von bis zu 40 bar. Bei den genannten Bedingungen im Inneren des Elektrolyseurs ist leicht verständlich, dass alle Bauteile extremen Belastungen ausgesetzt sind. Gleichzeitig laufen komplexe Prozesse in den engen Kanälen ab und ein optimaler Betrieb ist nur möglich, wenn alle Zellen im System bei demselben Druck und derselben Temperatur arbeiten und mit der exakt gleichen Menge an Dampf und elektrischem Strom versorgt werden.

Simulation stellt effiziente Funktion sicher

Moderne Simulationssoftware kann an dieser Stelle wertvolle Dienste leisten. Sunfire nutzt dazu die Ansys-Module CFX und Fluent, die bei Bedarf mit anderen Solvern gekoppelt werden können, um die gesamte Bandbreite chemischer und physikalischer Vorgänge im Elektrolyseur abzubilden. „Unsere Multiphysiksimulationen umfassen Strömung, Wärmetransport, den elektrochemischen Umsatz und sogar die chemischen Vorgänge bei der Elektrolyse“, erläutert Berechnungsingenieur David Spura. „Das Schöne an unserer Arbeit hier ist, dass wir nicht nur die rechnerische Bestätigung für die Arbeit der Konstrukteure liefern, sondern an vorderster Front der Entwicklung mitwirken. So sind beispielsweise Form und Querschnitt der Kanäle, in denen der Wasserdampf zu- und der Wasserstoff abgeführt werden, ganz ausschlaggebend für die Gasverteilung und damit für die effiziente Funktion des gesamten Systems. Hier konnten wir mit unseren Simulationen wertvollen Input liefern.“

Simulation vertieft das Anlagenverständnis

Die Simulationssoftware kam vor etwa zwei Jahren ins Gespräch, als deutlich wurde, dass für das bessere Verständnis der Vorgänge im Inneren der Stacks und Module tiefergreifende numerische Simulationen notwendig sind, um die Anlagen zu optimieren. „Es ging darum, die Prozesse im Inneren einer 800 Grad heißen, unter Druck stehenden Anlage zu untersuchen und zu verstehen – da kann man ja nicht einfach hineinschauen“, erinnert sich Spura. „Hier bot die Simulation einen hervorragenden Weg, die Vorgänge in den Stacks virtuell sichtbar zu machen.“ Seine Anforderungen diskutierte Sunfire dazu mit der Inneo Solutions GmbH in Ellwangen und schaffte schließlich 2020 die Ansys-Softwaresuite an. Heute wird die Software auf zwei Hochleistungsworkstations genutzt.

Simulationssoftware von Ansys wird zukunftsfähig

Know-how zum Einsatz der Software

Mit dem Systemhaus Inneo hat Spura gute Erfahrungen gemacht. „Die Spezialisten dort kennen ihre Software genau und können auf dieser Basis viele nützliche Hinweise geben, wie man an die Untersuchungen herangeht“, sagt der Berechnungsingenieur. „Wir haben inzwischen den gesamten Prozess der Elektrolyse und vor allem des Betriebs der Anlage im industriellen Maßstab simulieren und analysieren können. Dabei war uns Inneo mit technischem und administrativem Support sowie lehrreichen Workshops eine große Hilfe.“

Spezielle Module für Brennstoffzellen und Elektrolyseure

Spura plant, demnächst Fluent-Module in den Prozess zu integrieren, die von Ansys speziell für die Auslegung von Brennstoffzellen und Elektrolyseuren entwickelt wurden. Dazu wurde ein Workshop mit Inneo aufgesetzt, der nach Aussage des Simulationsspezialisten gute Ergebnisse lieferte.

„Wir können inzwischen sehr komplexe Geometrien und Abläufe simulieren“, fasst David Spura zusammen, „und verstehen die Prozesse und Strömungsverhältnisse im Elektrolyseur viel besser als zuvor.“ Es sei immer ein großer Unterschied, ob solch eine Anlage im Labormaßstab läuft oder zuverlässig im industriellen Maßstab skalieren soll. „Mit Hilfe von Ansys und Inneo konnten wir den Wirkungsgrad, die Leistungsdichte und die Zuverlässigkeit unserer Anlagen signifikant steigern – und können mit einem guten Gefühl in die industrielle Umsetzung gehen.“ (co)

Mehr Details speziell zu Ansys Fluent:
hier.pro/BK8mF

Kontakt:
Inneo Solutions GmbH
Rindelbacher Straße 42
73479 Ellwangen
Tel. +49 7961/890-0
www.inneo.de


Zum Unternehmen Sunfire

Die Sunfire GmbH, Dresden, wurde im Jahr 2010 gegründet von Nils Aldag, Christian von Olshausen und Carl Berninghausen mit der Vision, erneuerbare Energien durch innovative Elektrolyselösungen überall verfügbar zu machen. 2011 erfolgte mit dem Kauf der Staxera GmbH der erste Schritt in den Aufbau einer eigenen Technologie. Sunfire entwickelte die Festoxid-Brennstoffzellen von Staxera weiter zu einer Hochtemperaturelektrolysetechnologie, die Sunfire bereits im industriellen Umfeld getestet hat und die derzeit die finale Entwicklungsstufe durchläuft.

Elektrolyseure für die Herstellung von Wasserstoff aus Wasser und Strom sind im Prinzip nichts anderes als das Gegenstück zur Brennstoffzelle, bei der aus Wasserstoff und Sauerstoff Strom erzeugt wird und Wasser als Abfallprodukt entsteht. Die Festoxid-Elektrolysezelle (solid oxide electrolysis cell, SOEC) arbeitet mit Wasserdampf bei hohen Temperaturen, wie er in vielen Industrieprozessen anfällt, und erreicht so einen hohen Anlagenwirkungsgrad von bis zu 85 %.

Im Jahr 2020 übernahm Sunfire das Alkali-Elektrolyse-Unternehmen IHT SA mit Sitz in Monthey/Schweiz, das bereits seit mehr als 70 Jahren über Erfahrung bei Herstellung und Betrieb von alkalischen Elektrolyseuren verfügt. Die Alkalitechnologie arbeitet bei deutlich geringeren Temperaturen und ist daher sehr robust, verlässlich und derzeit die kosteneffizienteste Lösung am Markt.

Damit kann Sunfire zwei Technologien bieten, die sich ergänzen und so einen breiten Bereich des Marktes abdecken. Aktuell arbeiten 270 Mitarbeiter an insgesamt drei Standorten daran, die Technologie auf industriellen Maßstab hochzuskalieren. Ein Beispiel für die industrielle Nutzung ist die Zusammenarbeit mit der Salzgitter Flachstahl AG, die den weltweit größten Hochtemperatur-Elektrolyseur betreibt. Das Projekt GrInHy2.0 (Green Industrial Hydrogen) ist im Jahr 2019 gestartet. Mit grünem Wasserstoff, hergestellt durch Wasserdampf aus Abwärmequellen und erneuerbarem Strom mittels Hochtemperatur-Elektrolyse, soll langfristig Stahl klimaneutral ohne CO2-Emissionen produziert werden. Mitglieder des Konsortiums sind neben Salzgitter Flachstahl und Sunfire auch die Salzgitter Mannesmann Forschung, Paul Wurth, Tenova sowie die französische Forschungseinrichtung CEA.

Herstellung und Verwendung von Wasserstoff
Der erzeugte Wasserstoff kann beispielsweise in das Erdgasnetz eingespeist werden und ermöglicht dadurch die Speicherung elektrischer Energie, die vornehmlich aus erneuerbaren Energiequellen stammt. Zum anderen kann der Wasserstoff direkt stofflich weiterverwendet oder verarbeitet werden. So besteht eine weitere Besonderheit dieser Technologie in der Möglichkeit, im selben Prozess CO2 hinzuzufügen und Synthesegas zu erzeugen, ein Gasgemisch, das in nachgeschalteten Prozessen in jedes beliebige Kohlenwasserstoffprodukt umgewandelt werden kann. Die so hergestellten Synthesekraftstoffe haben das Potenzial, Erdöl, Erdgas und Kohle als fossile Ausgangsstoffe zu ersetzen und damit einen zentralen Beitrag zur Erreichung der Klimaziele im Industrie- und Verkehrssektor zu leisten.
Bild: Sunfire

Kontakt:
Sunfire GmbH
Gasanstaltstraße 2
01237 Dresden
Tel. +49 351/896797-0
www.sunfire.de


Aufbau eines Elektrolyseurs

Basis des Hochtemperatur-SOEC-Elektrolyseurs ist ein sogenannter Stack, ein etwa 10 cm hoher Stapel aus 30 Stahlblechen, zwischen denen die eigentlichen Elektrolyseelemente, die sogenannten Zellen, angebracht sind. Die Bleche sind so geprägt, dass der Wasserdampf zwischen ihnen möglichst gleichmäßig über die folienartigen Zellen verteilt und so effizient in seine Bestandteile aufgespalten wird. Ein Stack erzeugt pro Stunde etwa 750 Norm-m3 Wasserstoff bei einer Leistungsaufnahme von 3,7 kW. Sechs Stacks werden übereinander zu einem Turm gestapelt, um die Erzeugungsleistung weiter zu erhöhen. Mehrere Türme bilden ein Modul, welches zusammen mit den Hilfs- und Nebenanlagen in einem 20-Fuß-Container angeordnet und so anschlussbereit an den Kunden ausgeliefert wird.

Rechennetz für die Simulation eines Hochtemperatur-Elektrolyseurs
Rechennetz für die Simulation eines Hochtemperatur-SOEC-Elektrolyseurs in Form eines Turmes mit 180 Zellen.
Bild: Sunfire



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