Was ist ein Wasserstoff-Elektrolyseur?

Als Elektrolyseur bezeichnet man ein elektrochemisches Gerät, das elektrische Energie benötigt, um Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zu aufzuspalten. Elektrolyseure werden für die Wasserstofferzeugung eingesetzt und sind Teil eines umweltfreundlichen Systems zur Energieerzeugung und -speicherung, wenn sie mit einer erneuerbaren Energiequelle, einem Wasserstofftank und Brennstoffzellensystemen wie Modellierung eines Brennstoffzellen-Elektrofahrzeugs kombiniert werden.

Die drei Hauptarten von Elektrolyseuren – alkalisch, Polymerelektrolytmembran (PEM) und Festoxid – unterscheiden sich im Wesentlichen durch ihre Elektrolytmaterialien. Ein PEM-Elektrolyseur spaltet Wasser mithilfe einer semipermeablen Membran auf, die den Protonentransport ermöglicht und den Elektronenfluss blockiert. Aufgrund dieser Eigenschaft wird diese Art von Elektrolyseuren auch als Protonenaustauschmembran-Elektrolyseur bezeichnet.

Wie unten dargestellt, tritt das Wasser an der Anode in den Elektrolyseur ein. Wenn Gleichstrom (DC) zwischen zwei Elektroden angelegt wird, gibt der negativ geladene Sauerstoff im Wassermolekül seine Elektronen ab, und es entstehen Protonen, Elektronen und Sauerstoff an der Anode. Die Protonen gelangen durch die Membran zur Kathode, wo sie sich mit Elektronen verbinden und so Wasserstoff erzeugen.

Im Vergleich zu anderen Varianten von Elektrolyseuren werden PEM-Elektrolyseure wegen ihrer höheren Energieeffizienz, der besseren Betriebstemperatur und der einfacheren Wartung geschätzt.

Die Erstellung von Softwaremodellen für Elektrolyseure ermöglicht es Ihnen, die Wasserstoffproduktion in verschiedenen Genauigkeitsstufen zu simulieren. Simscape Electrical™ und Simscape Fluids™ unterstützen Sie bei der Erstellung von Elektrolyseur-Modellen, damit Sie Folgendes umsetzen können:

• Bewertung der elektrothermischen Leistung des Elektrolyseur-Stapels mithilfe eines Elektrolyseur-Modells, das die detaillierte elektrochemische Reaktion beschreibt
• Entwicklung, Simulation und Optimierung der Leistung eines Wasserstoffproduktionssystems mithilfe eines Elektrolyseur-Modells unter Berücksichtigung funktionaler Details für die Dimensionierung von Haupt- und Nebenkomponenten der Anlage
• Entwicklung und Verbesserung eines Regelungssystems für den Elektrolyseur mithilfe eines für Hardware-in-the-Loop-Tests geeigneten Elektrolyseur-Modells
• Durchführung von technisch-ökonomischen Studien über Wasserstoffproduktionssysteme mithilfe von erneuerbaren Energiequellen und Elektrolyseur-Modellen

Simscape™ und Simscape Electrical umfassen Modellbibliotheken für die Simulation von Elektrolyseuren. Sie können diese Modelle verwenden, um den Elektrolyseur als elektrische Last innerhalb eines größeren elektrischen Systems zu analysieren. Mit Simulink^® lassen sich dabei Elektrolyseur-Modelle als unterstützende Elemente für die Entwicklung von Systemregelungen für Elektrolyseure verwenden, z. B. für die Regelung und Entwicklung von Überwachungslogik. Mithilfe des Embedded Coder^® und des HDL Coder™ ist es ein Leichtes, automatisch lesbaren, effizienten C/C++ oder HDL-Code für den Regler zu generieren, den Regelungsentwurf mithilfe von Hardware-in-the-Loop-Tests zu validieren und den Code auf eingebetteten Prozessoren oder FPGA/SoC-Zielsystemen bereitzustellen.

Wenn Sie ein Modell eines Elektrolyseurs erzeugen möchten, können Sie mit dem Electrolyzer-Modell von Simscape Electrical beginnen. Dieses Modell liefert die Menge des erzeugten Wasserstoffs und des verbrauchten Wassers anhand der zugeführten elektrischen Energie und der Wassertemperatur. Das Elektrolyseur-Modell stellt einen Stapel von in Reihe geschalteten Elektrolyseur-Zellen dar, die individuell konfiguriert werden können, wie beispielsweise die Anzahl der Zellen, die Logik der Wasserspülung, der Transportbereich, der Abstand zwischen den Elektroden und die Anzahl der Elektrodenpaare. Weitere Parametriermöglichkeiten sind der Elektrolyse-Wirkungsgrad, die Wirkungsgrad-Temperatur, der spezifische elektrische Widerstand und die pH-Wert-Annahmen.

Mit Simscape Electrical und Simscape Fluids ist es möglich, ein komplettes PEM-Elektrolyseur-Modell individuell zu erstellen. Dazu gehören der Elektrolyseur-Stapel und die weiteren Komponenten der Anlage wie Wärmetauscher, Entfeuchter, Druckregler, Wasser- und Sauerstoffkreisläufe sowie das Wassermanagement. Dieses auf wissenschaftlichen Grundprinzipien basierende Elektrolyseur-Modell mit detaillierter Elektrochemie, thermo-liquiden Netzwerken und Feuchtluft-Netzwerken ermöglicht Ihnen die Entwicklung eines PEM-Elektrolyseurs sowohl auf Komponenten- als auch auf Systemebene. Diese Detailgenauigkeit der Modelle ermöglicht Folgendes:

• Simulation des Verhaltens von Elektrolyseuren mit verschiedenen Komponentenausprägungen und unter verschiedenen Betriebsbedingungen
• Entwicklung von Regelungen zum Wärme-, Druck- und Wassermanagement
• Überwachung und Verwaltung wichtiger Betriebskennzahlen wie Temperatur, Spannung, Stromverbrauch, Wasserverbrauch und Wasserstoffproduktion im Elektrolyseur-Stapel

Ein Elektrolyseur-Modell als Teil eines elektrischen Systems bietet einen geeigneten Rahmen für die Durchführung von Wirtschaftlichkeitsstudien, um die Effizienz des Elektrolyseur-Stapels, die Wasserstoffproduktion und den Wasserverbrauch zu optimieren. Ein Elektrolyseur-Modell mit elektrochemischen Reaktionen, Wasser- und Wasserstoffhandhabung und Wärmemanagementsystemen kann mit einer erneuerbaren Energiequelle (z. B. einer Solaranlage oder einem Windpark) und einem Energiespeichersystem kombiniert werden, um ein grünes Wasserstoffproduktionssystem wie ein Microgrid zu modellieren.

Die Durchführung von Simulationen mit einem Systemmodell ermöglicht es Ihnen, die Betriebscharakteristik der Erzeugung von grünem Wasserstoff über einen längeren Zeitraum zu evaluieren, indem Sie Strom entweder allein aus der erneuerbaren Energiequelle oder in Kombination mit dem Energiespeichersystem beziehen.