Airfox
Airfox ist ein Auslegungs- und Simulationswerkzeug für Brennstoffzellensysteme in der Luftfahrt, das von der Abteilung "Energiespeicherintegration" kontinuierlich weiterentwickelt wird. Im Kern basiert das Tool auf experimentellen Daten aus Stack-Tests, die in den Laboren der Gruppe durchgeführt werden. Ergänzt wird dies durch die Modellierung der Hilfssysteme in unterschiedlichen Detailgraden. Das vollständige Modell wird verwendet, um das Systemverhalten an allen Punkten einer Flugmission zu bestimmen, was dann zu einem geeigneten Gesamtsystementwurf führt.
Modellierung
Airfox enthält Subsystem- und Komponentenmodelle mit unterschiedlichem Detaillierungsgrad, die mit experimentellen Daten von realen, kommerziell erhältlichen Komponenten validiert werden. Diese Daten werden intern in den Testeinrichtungen der Abteilung am ZAL in Hamburg generiert. Alle Modelle sind stationär, da das Hauptziel von Airfox die Auslegung und Simulation des gesamten Energiesystems von Brennstoffzellenflugzeugen während des Fluges ist.
Dabei umfasst das Energiesystem sowohl das Brennstoffzellen-System, bestehend aus Stack und der „balance of plant“ (den Hilfssystemen), als auch das Batteriesystem (s. Abb. 2). Der generelle Ansatz für das Gesamtsystem ist modular, d.h. die verschiedenen Komponenten können auf unterschiedliche Weise kombiniert werden, um verschiedene Systemarchitekturen abzubilden, z.B. Flüssigkeits- oder Luftkühlung. Während sich das Tool noch in der Entwicklung befindet, wurde der Ansatz zur Stackmodellierung bereits in einem Paper von Matthias Schröder veröffentlicht, das hier zu finden ist. Airfox ist in Python geschrieben.
Arbeitsablauf
Der typische Arbeitsablauf mit dem Airfox gliedert sich in zwei Teile:
1. die Auslegung und
2. die Simulation.
Zu Beginn werden ein Missionsprofil sowie ein Antriebssystemkonzept, das die relevanten Randbedingungen liefert, die berücksichtigt werden müssen, als Input eingegeben.
Im ersten Schritt, der Auslegung, wird ein System bestimmt, das eine Reihe von Dimensionierungspunkten aus dem Missionsprofil erfüllen kann. Das bedeutet, dass für jede modellierte Komponente neben den Werten für ihre Masse und Abmessungen auch die resultierenden Leistungsparameter wie z.B. der Wirkungsgrad bestimmt werden. Aus den verschiedenen parasitären Leistungsanforderungen wird dann die erforderliche Gesamtleistung ermittelt, die zu einer endgültigen Stackgröße führt.
Im zweiten Schritt wird die gesamte Mission mit dem resultierenden System simuliert. Das bedeutet, dass für jedes Subsystem die erforderliche Leistung, insbesondere die erforderliche Stack-Stromdichte, bestimmt wird. Die Ergebnisse dieses Prozesses können in verschiedenen Formen dargestellt werden. Eine davon ist die in Abbildung 1 dargestellte grafische Benutzeroberfläche, die sich in einem sehr frühen Entwicklungsstadium befindet.
Anwendung
Obwohl der Airfox auch für die Analyse von anderen Transportmitteln mit hohen Leistungsanforderungen wie Zügen oder Schiffen eingesetzt werden kann, wird er am häufigsten für Flugzeuge verwendet. In den Forschungsgruppen der Abteilung Energiespeicherintegration wird er in vielen verschiedenen Projekten eingesetzt. In der Regel wird ein Flugzeug durch seine Mission und die erforderlichen Leistungs- und Konstruktionsparameter definiert, aus denen sich die Randbedingungen für das Energiesystem ergeben. Dies könnte z.B. ein Regionalflugzeug mit 70 Sitzen sein, bei dem die Antriebsleistung auf 10 Gondeln verteilt wird, von denen jede ein BZ-System enthält (siehe Projekt Exact). Sobald ein realisierbarer Entwurf für diese Inputs vorliegt, können Sensitivitätsstudien durchgeführt werden. Dies könnte z.B. eine Variation des Kathodeneingangsdrucks sein. Wird dieser erhöht, wird der Verdichter schwerer, während der Stack effizienter und damit leichter wird. Der optimale Punkt für diesen Parameter kann mit dem Airfox gefunden werden. Häufig wird die Dimensionierung des Energiesystems auch in eine Gesamtauslegung des Flugzeugs integriert, so dass die Auswirkungen auch auf Ebene des Gesamtflugzeugs quantifiziert werden können. Die Ergebnisse solcher Studien werden sowohl in Forschungsprojekten, zum Teil mit Industriepartnern, als auch in wissenschaftlichen Publikationen verwendet. Auf diese Weise trägt Airfox zu einem besseren Verständnis der Herausforderungen bei, die mit dem Einsatz von Brennstoffzellen in Flugzeugen verbunden sind, und leistet damit einen Beitrag zur Integration dieser Technologie in zukünftige Generationen nachhaltiger Flugzeuge.