TEMPEST
Die Simulationsumgebung TEMPEST (Transient Electrochemical Models for Process and Energy Systems) des Instituts für Technische Thermodynamik des DLR in Stuttgart bietet die Möglichkeit zur transienten Simulation von verfahrenstechnischen Systemen mit elektrochemischen Reaktoren. Der Aufbau der Umgebung erlaubt die Entwicklung von Betriebs- und Regelungsstrategien für Systeme und Reaktoren durch die Nutzung von Modellen von Reaktoren unterschiedlicher Hersteller oder generischer Architekturen.
Forschungsziele
Mit TEMPEST wird das stationäre und dynamische Verhalten von verfahrenstechnischen Systemen mit elektrochemischen Reaktoren untersucht. Die beiden Hauptanwendungsgebiete sind die Entwicklung von Regelungs- und Betriebsstrategien sowie die Untersuchung von Skalierungsstrategien. In beiden Fällen wird die Verteilung von kritischen Parametern innerhalb von Zellen und Reaktoren (Temperatur, Stromdichte, Durchfluss, Zusammensetzung) analysiert.
Konkrete Anwendungen des Simulationsframeworks sind beispielsweise die Untersuchung eines Hybridsystems aus Reaktoren mit Festoxidbrennstoffzellen (SOFC) und Batterien für einen maritimen Antriebsstrang sowie auch die direkte Integration von volatilem erneuerbarem Strom in Elektrolyseprozesse. In beiden Fällen wird untersucht welche Auswirkungen die schwankende elektrische Leistung auf die Reaktoren hat und welche Regelungs- und Betriebsstrategien eingesetzt werden können, um Wirkungsgrad und Langlebigkeit zu erhöhen.
Weiterhin wird eine starke Synergie mit experimentellen Untersuchungen angestrebt. Einerseits liefern die Versuchsstände HORST und GALACTICA wichtige Parametrierungs- und Validierungsdaten für die Modellierung. Andererseits ermöglichen begleitende Simulationsstudien risikoarme und zielgenaue experimentelle Untersuchungen. Darüber hinaus lassen sich mit den validierten Modellen auch Betriebsbereiche analysieren, die über die experimentellen Möglichkeiten hinausgehen.
Details zur Simulationsumgebung
- Die verwendete Modellierungssprache ist Modelica®
- Die Umgebung ist anpassbar an elektrochemische Reaktoren mit verschiedenen Technologien. Dazu gehören Elektroden-, Elektrolyt- und Metallgestützte Festoxidzellen in planarer, tubularer oder segmentierter Ausführung mit co-, counter- oder cross-flow Gasführung. Zusätzlich wurden Zellmodelle für die alkalische Wasserelektrolyse entwickelt, welche momentan zu Reaktormodellen weiterentwickelt werden.
- Der Detailgrad der Modelle kann in Abhängigkeit des Untersuchungsziels angepasst werden. Elektrochemische Reaktoren können als 0D-Modelle oder als detaillierte 1D+1D Modelle inklusive Darstellung von tausenden von Zellen abgebildet werden. Weiterhin kann zwischen detaillierten Berechnungen der elektrochemischen Verlustmechanismen und vereinfachten Verlustfunktionen gewählt werden.
Exemplarisches Ergebnis
TEMPEST_Simulation
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Ausgewählte Projekte
· SynLink
· HTCoEl
· SWITCH
· NAUTILUS
· Helenus
· H2Mare
· H2Giga-AEL4GW
· eModule
Veröffentlichungen
S. Srikanth, M. P. Heddrich, S. Gupta, and K. A. Friedrich, Transient reversible solid oxide cell reactor operation - Experimentally validated modeling and analysis. Applied Energy, 2018. 232: p. 473-488. doi: 10.1016/j.apenergy.2018.09.186
M. Tomberg, M. P. Heddrich, F. Sedeqi, D. Ullmer, S. A. Ansar, and K. A. Friedrich, A New Approach to Modeling Solid Oxide Cell Reactors with Multiple Stacks for Process System Simulation. Journal of the Electrochemical Society, 2022. 169(5). doi: 10.1149/1945-7111/ac7009
M. Tomberg, M. P. Heddrich, S. A. Ansar, and K. A. Friedrich, Operation strategies for a flexible megawatt scale electrolysis system for synthesis gas and hydrogen production with direct air capture of carbon dioxide. Sustainable Energy & Fuels, 2023. 7(2): p. 471-484. doi: 10.1039/d2se01473d