CELESTE
Das Modellierungsframework CELESTE (Conceptual design of ELectrochemical procEss SysTems and Exergy analysis) des Instituts für Technische Thermodynamik des DLR in Stuttgart bietet die Möglichkeit, schnell konzeptionelle Modelle für Prozesssysteme mit elektrochemischen Reaktoren zu erstellen. Das Framework erlaubt es den Anwendern, effizient Massen- und Energiebilanzen zu lösen, Wärmetauschernetzwerke zu bilden und Exergieanalysen für diese reaktiven Systeme durchzuführen, indem vereinfachte Modelle von Reaktoren verschiedener Hersteller sowie Modelle von Standardprozesseinheiten verwendet werden.
Ziele der Forschung
CELESTE wird eingesetzt, um konzeptionelle Prozessdesigns in elektrochemischen Prozesssystemen zu entwerfen und zu bewerten. Das Haupteinsatzgebiet sind PtX-Systeme, bei denen die elektrochemischen Reaktoren zur Erzeugung von Wasserstoff oder Synthesegas eingesetzt werden, die dann in weiteren Prozessen zu hochwertigen Chemikalien reagieren. Solche Systeme können durch Anpassung der Betriebsbedingungen und Integration von Strömen optimiert werden, um höhere Erträge, einen geringeren Bedarf an Wärmeenergie oder Strom usw. zu erzielen. CELESTE zielt darauf ab, diesen Prozess zu vereinfachen.
Aufgrund der verschiedenen Formen wertvoller Ströme in solchen Systemen, wie Wärme, Chemikalien und Elektrizität, ist die Exergieanalyse ein äußerst nützliches Werkzeug, um die Ströme auf gleicher Basis aufzuwerten, da sie den Wert des Stroms mit dem von der Umwelt vorgegebenen "toten Zustand" vergleicht. Mit CELESTE können Benutzer schnell Exergieanalysen durchführen, um solche Prozesssysteme ganzheitlich zu bewerten.
Das konzeptionelle Prozessdesign wird als Vorstudie für die Gestaltung unserer Experimente und instationären Simulationen verwendet. Hier bietet CELESTE eine wichtige Schnittstelle für die synergetische Interaktion zwischen unseren verschiedenen Forschungssäulen. Die Experimente, die auf unseren einzigartigen Prüfständen HORST und GALACTICA durchgeführt werden, liefern nützliche Daten zur Validierung unserer Modelle, und die Simulationen auf CELESTE liefern wichtige Informationen für die Planung von Experimenten und instationären Simulationen auf TEMPEST. Dies wird durch die Möglichkeit, schnell Optimierungsstudien durchzuführen, um die besten Parameter für den Betrieb zu finden, weiter verbessert.
Wichtige Details
Das in Python® geschriebene Framework erleichtert das Lesen und Schreiben von Modellen und die Integration mit externen Open-Source-Bibliotheken
Das Framework ermöglicht die einfache Entwicklung von Prozesseinheiten und Systemen, einschließlich elektrochemischer Reaktoren wie SOCs und AEL. Benutzer können die Vorteile der Standardbibliothek nutzen, die viele 0D-Modelle enthält, oder eigene Modelle mit unterschiedlichen Auflösungsgraden erstellen. Die Standardbibliothek enthält auch Beispiele von Flüssigkeiten mit thermodynamischen Eigenschaften, die auf der EoS für ideale Gase basieren. Andere EoS können integriert werden, und es wird daran gearbeitet, die Bibliothek der thermodynamischen Eigenschaften zu erweitern.
Es können Modelle erstellt werden, die verschiedene Phänomene wie Wärmeübertragung, Thermodynamik und Kinetik berücksichtigen. Auf der Systemebene können auch Kreisläufe und Wärmeintegration einbezogen werden.
Projekte
HTCoEl
H2Mare
H2Giga-AEL4GW
SOL
Veröffentlichungen
Miric-Fuentes, D., et al. (2022). Power-to-Methane über H2O/CO2 Co-Elektrolyse Integration: A Conceptual Performance Assessment on Methanation Off-gas Recirculation using Exergy Methods. 21. Workshop zur Integration von Wind und Sonne. Den Haag, Niederlande.