Ein Expertisebereich der Fachgruppe DezE
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Mobiles H2 Demo System
Im ersten Schritt wurde im Rahmen einer Master-Thesis ein mobiles H2 Demo System aufgebaut. Der Hybridspeicher basiert auf einem Wasserstoffsystem in Kombination mit Batteriespeichern.
Ein wesentlicher Bestandteil des Entwicklungsprozesses war der schrittweise und komponentenbasierte Aufbau. Der Hybridspeicher wurde im 19“-Industriestandard errichtet und besteht aus einer Kombination von Druckwassertank, Elektrolyseur, Wasserstofftank, Brennstoffzellensystem, Batteriespeicher sowie verschiedener Sensorik, Aktorik und einer Steuereinheit. Die Speisung des Elektrolyseurs erfolgt über einen Druckwassertank. Über einen einstellbaren Druckminderer wird der Ausgangsdruck des Elektrolyseurs angeglichen. Die Weiterleitung erfolgt entweder zum Wasserstofftank oder, über einen weiteren Druckminderer, zum Brennstoffzellensystem.
Magnetventile, ein Rückschlagventil zur Verhinderung
von Druckschlägen in den Elektrolyseur und ein Gassensor
gewährleisten die Erkennung eines möglichen Gasaustritts
und ermöglichen die automatische, gefahrenfreie Unterbrechung des Wasserstoffflusses bei Bedarf. Eine Microcontrollerbasierte SPS (Speicherprogrammierbare Steuerung) übernimmt dabei die Auswertung der Sensorik, die Steuerung der Aktorik sowie die Darstellung der Betriebsdaten auf einem Monitor. Darüber hinaus kann das System vom Nutzer über die gleiche Einheit gesteuert werden.
Der Wasserstoffzufluss zur Brennstoffzelle wird mittels eines eigenen Steuersystems reguliert, das Einlass- und
Auslassventile, einen elektronischen Druckregler sowie einen Differenzdrucksensor umfasst. Hiermit wird der Wasserstoff zu- und abfluss zyklisch in Abhängigkeit des Verbrauchs reguliert. Eine Belüftung sogt für den Zufluss mit Luft als Reaktionsmittel, während eine Wasserkühlung die Temperatur des Brennstoffzellenstacks reguliert.
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Das Bild zeigt einen Screenshot eines digitalen Dashboards (im Dark Mode / dunklen Design), das Sensordaten einer Wasserstoffproduktionsanlage über einen Zeitraum von etwa fünf Minuten (ca. 11:50:30 bis 11:55:00 Uhr) als Liniendiagramme darstellt. Es sind sechs Diagramme zu sehen, die ein gleichzeitiges Abschalten oder Stoppen der Anlage um kurz vor 11:52 Uhr dokumentieren.
Im Einzelnen zeigen die Diagramme:
- H2 Production, NL/hour (oben links): Die Wasserstoffproduktion steigt zunächst leicht an auf fast 300 NL/h und fällt dann um 11:51:30 Uhr abrupt auf 0 ab.
- Total H2 Produced (oben rechts): Die Gesamtmenge des produzierten Wasserstoffs steigt linear an und verbleibt ab dem Zeitpunkt des Produktionsstopps (ca. 11:52:00 Uhr) konstant bei einem Wert von etwa 440,12 Litern.
- Total Stack Runtime (Mitte links): Die Laufzeit steigt linear an und flacht zum gleichen Zeitpunkt bei einem Wert von 1,13 Stunden ab.
- Total Stack Cycles (Mitte rechts): Dieser Wert bleibt über den gesamten Zeitraum konstant bei einer flachen Linie auf dem Wert 3.0.
- H2 Stack Pressure (unten links, unter der Rubrik Pressure): Der Druck im Stack bleibt zunächst relativ konstant bei knapp 30 bar. Kurz nach dem Produktionsstopp fällt der Druck stufenweise (Treppenmuster) bis auf 0 bar ab.
- H2 Outlet Pressure (unten rechts): Der Ausgangsdruck steigt zunächst wellenartig von 5 bar auf ca. 12 bar an. Kurz vor 11:52 Uhr fällt die Kurve ab und nähert sich dann kontinuierlich der 0-bar-Grenze. Am unteren Rand werden Minimal-, Maximal-, Durchschnitts- und aktuelle Werte in Textform eingeblendet.
Über eine Webanbindung erfolgt die Anbindung des Elektrolyseurs und des Wassertanks an die Enapter Cloud. Hier lassen sich per App oder Weboberfläche alle wichtigen Parameter der Wasserstoffproduktion, wie beispielsweise interner- und externer Druck, Produktionsrate, Temperatur, Laufzeit überwachen und exportieren. Bei Bedarf können Ausgangsdruck und Produktionsrate angepasst werden, ebenso ist hier eine Kontrolle eventuell aufgetretener Fehler oder Warnungen möglich. Die nebenstehende Abbildung zeigt einen Auszug der Nutzeroberfläche mit den Daten des ersten Testlaufes.
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Das Bild zeigt ein schematisches Blockdiagramm, das die Kommunikations- und Energieflüsse zwischen einem Energiemanagementsystem (EMS), einer Wasserstoffanlage, einem Batteriespeicher und dem Stromnetz (Netz) darstellt.
Eine Legende unten links definiert die verwendeten Pfeile:
- Lila Pfeile: Kommunikation (übergeordnet)
- Gelbe Pfeile: Kommunikation intern
- Rote Pfeile: Energiefluss
Alle Linien im Diagramm sind als Doppelpfeile dargestellt, was auf bidirektionale Flüsse (in beide Richtungen) hindeutet.
Der Aufbau und die Verbindungen:
- Oberste Ebene (EMS): Ganz oben befindet sich das EMS (Energy Management System). Es kommuniziert (lila Pfeil) mit dem Netz (rechts oben dargestellt).
- Mittlere Ebene (Steuerungssysteme): Das EMS kommuniziert nach unten (lila Pfeile) mit zwei Systemen:
- Einem WMS (Water Management System / Wasserstoff-Management-System), das sich links in einem blau gestrichelten Kasten befindet.
- Einem BMS (Battery Management System), das sich rechts in einem grün gestrichelten Kasten befindet.
- Zusätzlich gibt es eine direkte Kommunikationsverbindung (lila Pfeil) zwischen dem WMS und dem BMS.
- Untere Ebene (Physische Komponenten):
- Innerhalb des blau gestrichelten Kastens kommuniziert das WMS intern (gelber Pfeil) mit der Komponente H2 (Wasserstoffanlage).
- Innerhalb des grün gestrichelten Kastens kommuniziert das BMS intern (gelber Pfeil) mit der Batterie.
- Energieflüsse (Rote Pfeile): Im unteren Bereich des Bildes sind die Energieflüsse dargestellt. Energie fließt bidirektional zwischen dem Netz (rechts unten dargestellt) und sowohl der H2-Anlage als auch der Batterie. Zudem gibt es einen direkten Energiefluss zwischen der H2-Anlage und der Batterie.
Jedes Subsystem verfügt auf Grundlage eines zuvor erstellten und in der nebenstehenden Abbildung dargestellten Konzepts über ein eigenes
Managementsystem, welches die grundlegende Steuerung übernimmt.
