IT-gestützte Sektorenkopplung: Digital gesteuerte Brennstoffzellen- und Elektrolysetechnologie für stationäre und mobile Anwendungen

Aktuelles

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Laufzeit und Kooperationen

Laufzeit
01.01.2021 – 31.12.2024

Projektbeschreibung

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Abstract

Für die ganzheitliche Integration von Quellen regenerativ erzeugter elektrischer Energie in die bestehende Infrastruktur der Netze ist eine effiziente und verlustfreie Speicherung elektrischer Energie unabdingbar. Dem Power-to-Gas Ansatz folgend, kann eine solche Speicherung am besten in Form von Wasserstoff erfolgen, was eine vorherige Umwandlung elektrischer Energie in chemische Energie in einem Elektrolyseur bedingt. Die Rückumwandlung chemischer Energie in elektrische Energie in einer Brennstoffzelle folgt dem Gas-to-Power Pfad und komplettiert den Kreislauf.

Der große Vorteil von Wasserstoff als Energieträger besteht darin, ihn nicht nur rückverstromen zu können, sondern ihn zum einen direkt als Wärmeenergieträger zu nutzen und zum anderen als Ausgangsstoff für die chemische Industrie anzubieten.

Damit der Kreislauf Power-to-Gas ↔ Gas-to-Power reibungslos funktioniert, bedarf es einer anspruchsvollen Kopplung des Strom- und Gasnetzes, um beide miteinander kommunizieren und aufeinander reagieren zu lassen. Das Ziel ist die in benötigtem Umfang und zu angefragter Zeit bedarfsgerechte Bereitstellung sowohl von elektrischer Energie als auch von Wärmeenergie.

Diesem Ziel widmet sich das dtec.bw-Projekt CoupleIT!

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Das Projekt IT-gestützte Sektorenkopplung: Digital gesteuerte Brennstoffzellen- und Elektrolysetechnologie für stationäre und mobile Anwendungen – CoupleIT! ist in zwei Teilprojekte, TP1 und TP2, gegliedert, die zeitlich parallel bearbeitet und im Projektverlauf zunehmend miteinander verschränkt werden sollen. In TP1 SmInT-Grid (Smart-InTegrated Grid) werden die dynamischen Interaktionen in gekoppelten Wasserstoffinselnetzen und elektrischen Inselnetzen untersucht. Die Schnittstelle zwischen den Inselnetzen bildet ein Reversibel-Digital-gekoppeltes-Brennstoffzellen-und-Elektrolyse (REDIBEL) System. Um die Netzstabilität und Versorgungssicherheit in gekoppelten Inselnetzen zu erhalten, werden digitale Regelungsstrategien und eine zuverlässige Kommunikation benötigt. Hierbei soll in einem ersten Schritt das vollständige digitale Abbild aller Komponenten der Anlage simuliert werden. Im späteren Verlauf soll die Simulation mit der realen Anlage im Labor validiert und abgeglichen werden. Das digitale Abbild soll im Speziellen auf die Integration in verwandte technische Anwendungen oder Netzstrukturen hin untersucht werden. Einen schematischen Überblick über die Netztopologie bietet Abbildung 1.

Einen wichtigen Aspekt der Betrachtungen in TP1 bilden die Dynamiken von Brennstoffzellen- und Elektrolyseeinheiten. Die Kopplung der Inselnetze wird umso effizienter funktionieren, je schneller die beteiligten Komponenten reagieren und ihren Betriebszustand anzupassen imstande sind. Im Vergleich zum elektrischen Inselnetz bildet hierbei das Wasserstoffinselnetz den trägeren Partner.

Daher hat das Projekt CoupleIT! auch zum Ziel, den Unterschied zwischen den verschiedenen Anpassungsgeschwindigkeiten der beiden Inselnetze zu minimieren. Dieser Herausforderung wird sich in TP2 angenommen.

In TP2 InDis-Zelle (Intern Digital ansteuerbare Brennstoff- und Elektrolyse-Zelle) wird Grundlagenforschung zu digital ansteuerbaren Brennstoffzellen (BZ) und Elektrolysezellen (EL) mit Hilfe elektrisch steuerbarer Membranen betrieben. Es gilt, das dynamische und transiente Verhalten zunächst von BZ- und EL-Anlagen und dann des gekoppelten Gesamtsystems zu verbessern und, wie oben angedeutet, die zeitlichen Regime, in denen elektrisches und Wasserstoffinselnetz arbeiten, einander anzugleichen. Analog zu TP1 wird auch in TP2 die Errichtung eines Digitalen Zwillings (DZ) verfolgt. Dieser soll es zum einen erlauben, Funktionsprinzipien virtuell übertragbar zu machen, um von stationären auf mobile Anwendungen schließen zu können. Zum anderen dient er dazu, Extremsituationen zu simulieren, um Einsatzgrenzen auszuloten und zu überschreiten, ohne realen Schaden zu erleiden.

In der Endphase des Gesamtprojekts CoupleIT! wird die Vereinigung der beiden Teilprojekte angestrebt und zwar sowohl auf virtueller Ebene d. h. die Vereinigung der beiden DZ, als auch auf realer Ebene. Letzteres soll dadurch realisiert werden, dass die in TP2 gewonnenen Erkenntnisse und praktischen Neuerungen ins TP1 einfließen, um die Kopplung von elektrischem und Wasserstoffinselnetz zu optimieren.

Laboraufbauten und Demonstratoren 

Strukturbild von elektrischem und Wasserstoffinselnetz sowie der praktische Laboraufbau eines Großteils des elektrischen Inselnetzes.

Synergien und Vernetzungen

Ein wichtiger Aspekt des dtec-Programms ist die Schaffung von Forschungssynergien zwischen verschiedenen, durchaus auch nicht dtec-geförderten, Projekten. In diesem Sinne steht unser dtec-Projekt CoupleIT! nicht allein für sich, sondern erfreut sich der Vernetzung mit den Forschungsvorhaben

• StBZuEL (Technische Entwicklung und Test von elektrisch steuerbaren Membraneinheiten in Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellen) und
• HyReflexS (Wasserstoffbasierte Notstromversorgung mit integriertem Regelkraftwerk mittels flexibler Sektorkopplung und Metallhydridspeichern).

Publikationen

Gomez Anccas, E. D.; Blanz, J.; Schulz, D.
Grid-forming fuel cell system for a multi-energy-microgrid in islanding operation
In: Power and Energy Student Summit (PESS) und Power Electronics Student Summit (PELSS), Kassel, Germany, 02. – 04. November 2022
Universität Kassel; Hochschule Bonn-Rhein-Sieg; Fraunhofer IEE (Hrsg.)
VDE Verlag, Berlin 2023, Bd. 1, S. 37, ISBN (Druck) 978-3-8007-6013-8, ISBN (eBook) 978-3-8007-6014-5

Bornholdt, H.; Röbert, K.; Breitbach, M.; Fischer, M.; Edinger, J.
Measuring the Edge: A Performance Evaluation of Edge Offloading
In: 2nd Workshop on Serverless computing for pervasive cloud-edge-device systems and services, co-located with IEEE Percom 2023
Universität Hamburg, Professur für Computer Networks
Eingereicht

Bornholdt, H.; Röbert, K.; Fischer, M.
Low-Latency TLS 1.3-aware Hole Punching
In: IEEE International Conference on Communications 2023
Universität Hamburg, Professur für Computer Networks
Eingereicht

Rensmeyer, T., Multaheb; S., Putzke; J., Zimmering, B.; Niggemann, O.
Using Domain-Knowledge to Improve Machine Learning – A Survey of Recent Advances
In: atp magazin
Helmut-Schmidt-Universität / Universität der Bundeswehr, Professur für Informatik im Maschinenbau
Bd. 63, S. 78-84, DOI: 10.17560/atp.v63i9.2600

Sassen, S.; Fink, A.
Optimal Energy Scheduling for a Microgrid with Battery and Hydrogen Storage
In: NEIS 2022, Conference on Sustainable Energy Supply and Energy Storage Systems, Hamburg, Germany, 26. – 27. September 2022
Helmut-Schmidt-Universität / Universität der Bundeswehr, Professur für BWL insbes. Wirtschaftsinformatik, Hamburg, Dezember 2022
VDE Verlag, Berlin 2022, Bd. 4, S. 139-144, ISSN 2510-6902, ISBN (Druck) 978-3-8007-5983-5, ISBN (eBook) 978-3-8007-5984-2

Gomez Anccas, E. D.; Blanz, J.; Schulz, D.
Islanded operation of an inverter dominated coupled multi-energy system
In: dtec.be-Beiträge der Helmut-Schmidt-Universität / Universität der Bundeswehr Hamburg: Forschungsaktivitäten im Zentrum für Digitalisierungs- und Technologieforschung der Bundeswehr dtec.bw
Helmut-Schmidt-Universität / Universität der Bundeswehr, Professur für Elektrische Energiesysteme, Hamburg, Dezember 2022
Bd. 1, S. 20-24, ISBN (Druck) 978-3-86818-316-0, ISBN (Online) 978-3-86818-315-3, DOI: 10.24405/14525

Gomez Anccas, E. D.; Becker D.; Schulz, D.
SmInT-Grid: Demonstrator eines multi-Energiesystems aus gekoppelten Inselnetzen
In: Hamburger Beiträge zum technischen Klimaschutz 2022: Analyse, Digitalisierung und Flexibilisierung von Energiemärkten, Elektromobilität, Sektorenkopplung, Elektroenergienetzen und Wasserstoffsystemen
Helmut-Schmidt-Universität / Universität der Bundeswehr, Professur für Elektrische Energiesysteme, Hamburg, Dezember 2022
Bd. 4, S. 84-88, ISSN (Druck) 2698-8798, ISBN (Druck) 978-3-86818-252-1, ISSN (Online) 2698-8801, ISBN (Online) 978-3-86818-253-8, DOI: 10.24405/14594

Salem, D.; Schulz, D.
The Design of a Droop-based Grid Forming Inverter Controller for different Operation Modes and Conditions
In: Hamburger Beiträge zum technischen Klimaschutz 2022: Analyse, Digitalisierung und Flexibilisierung von Energiemärkten, Elektromobilität, Sektorenkopplung, Elektroenergienetzen und Wasserstoffsystemen
Helmut-Schmidt-Universität / Universität der Bundeswehr, Professur für Elektrische Energiesysteme, Hamburg, Dezember 2022
Bd. 4, S. 89-97, ISSN (Druck) 2698-8798, ISBN (Druck) 978-3-86818-252-1, ISSN (Online) 2698-8801, ISBN (Online) 978-3-86818-253-8, DOI: 10.24405/14595

Sassen, S.; Fink, A.
Lastenglättung eines Microgrids mit zwei Speichersystemen und verschiebbaren Lasten
In: Hamburger Beiträge zum technischen Klimaschutz 2022: Analyse, Digitalisierung und Flexibilisierung von Energiemärkten, Elektromobilität, Sektorenkopplung, Elektroenergienetzen und Wasserstoffsystemen
Helmut-Schmidt-Universität / Universität der Bundeswehr, Professur für BWL insbes. Wirtschaftsinformatik, Hamburg, Dezember 2022
Bd. 4, S. 98-103, ISSN (Druck) 2698-8798, ISBN (Druck) 978-3-86818-252-1, ISSN (Online) 2698-8801, ISBN (Online) 978-3-86818-253-8, DOI: 10.24405/14596

Gomez Anccas, E. D.; Blanz, J.; Vorwerk, D.; Schulz, D.
CoupleIT!: Smart Integrated Grid – Digitalisierte Kopplung des Strom- und Gasnetzes
In: Hamburger Beiträge zum technischen Klimaschutz 2021: Stand der Technik und Digitalisierung bei integrierten Energiesystemen, Sektorenkopplungs- und Mobilitätstechnologien
Helmut-Schmidt-Universität / Universität der Bundeswehr, Professur für Elektrische Energiesysteme, Hamburg, Dezember 2021
Bd. 3, S. 57-63, ISSN (Druck) 2698-8798, ISBN (Druck) 978-3-86818-250-7, ISSN (Online) 2698-8801, ISBN (Online) 978-3-86818-251-4, DOI: 10.24405/13949

Poster zum Open Campus 2022

Projektpartner

Ansprechpartner

Prof. Dr. Detlef Schulz (Projektleiter)
[email protected]
040 6541-2757

Dr. Daniel Becker (Gruppenleiter)
[email protected]
040 6541-2245

Edgar Diego Gomez Anccas, M.Sc.
[email protected]

Dalia Ahmed Salem, M.Sc.
[email protected]

Jannes Seebeck, M.Sc.
[email protected]

Dr. Kazem Pourhossein
[email protected]

Dr. Taha Genco
[email protected]

Fördergeber

HSU

Letzte Änderung: 25. Juli 2024