HZwo-DigiTwin - Skalierbarer Digitaler Zwilling zur flexiblen Betriebsführung von PEM-Brennstoffzellen und Elektrolyseuren

Mit Verabschiedung der nationalen Wasserstoffstrategie im Juni 2020 wurde der Weg für eine erfolgreiche Energiewende mit dem Erreichen der Klimaneutralität in der EU bis 2045 geebnet.

Zu den aktuellen Hemmnissen, welche einer breiten Kommerzialisierung der Wasserstofftechnik (insb. PEM-Brennstoffzelle) entgegenstehen, zählen u.a. ihr geringere Lebensdauer für dynamische Anwendungen (hohe Anzahl von Lastwechseln) infolge einer stark voranschreitenden Degradation. Diese liegt mitunter in einer nicht optimalen Betriebsführung begründet, weswegen es an den Zellbestandteilen (besonders an der Membran) zu irreversiblen Schäden und damit zu Effektivitätsverlusten kommen kann. Dieser Effekt verstärkt sich mit zunehmender Betriebsdauer, womit aktuell im dynamischen Betrieb eine um bis zum Faktor 10 verminderte Lebensdauer gegenüber stationären Applikationen festzustellen ist. Zudem variieren die erzielbaren Betriebsdauern verschiedener Zellen je nach Belastung stark und liegen meist unter den angestrebten Werten der DOE aufgrund der verstärkt auftretenden Degradation. In den vom DOE 2020 publizierten Zielen für 2030 ist die Lebensdauer von 10.000 h (2020) auf 40.000 h zu erhöhen.

Das Verbundprojekt HZwo-DigiTwin setzt sich ein, neue optimierte und flexible Betriebsführungsstrategien zu entwickeln und damit die Wirtschaftlichkeit, Betriebssicherheit und die Nutzerakzeptanz der Brennstoffzellentechnologie zu erhöhen. HZwo-DigiTwin versteht unter Betriebsstrategie, nach übergeordneten Zielen die sinnvollste Betriebsmöglichkeit auszuwählen und das System so zu steuern, dass irreversible Schädigungen vermieden werden. Mit dem innovativen Ansatz der Kopplung von Mehrkörpersimulationsmodellen, mit elektrochemischen sowie regelungstechnischen Modellen soll das Betriebsverhalten in 0D bis 3D-Modellen abgebildet werden. Die Teilmodelle sollen nachfolgend zu skalierbaren für echtzeitfähige Anwendungen ausgelegte Digitale Zwillinge erweitert werden und als Grundlage für eine virtuelle Inbetriebnahme von Brennstoffzellensystemen dienen. Um dies zu erreichen, setzt HZwo-DigiTwin auf eine Validierungsphase der erstellten Modelle unter realitätsnahen Einsatzbedingungen an Prüfständen sowie an einem Mock-Up-Fahrzeug des Partners ICM. Diese zielt darauf ab, eine Optimierung der Regelung zur Minimierung von betriebsspezifischen Degradationsmechanismen umzusetzen. Die optimierten Digitalen Zwillinge sollen nachfolgend als Datengrundlage in ein neu zu entwickelndes Condition Monitoring System für den Betrieb einfließen. Eine daraus abgeleitete Prozessregelung, mit dem Ziel Systemfehler auch für besondere klimatische Einflüsse und Betriebsarten (Kaltstart) detektieren, analysieren und korrigieren zu können, soll prototypisch am Referenzfahrzeug erprobt werden.

Das Konsortium verfolgt mit der Erstellung des skalierbaren Digitalen Zwillings das Ziel, eine gemeinsame Versuchs- und Validierungsplattform für Betriebsführungsstrategien zur Performanceverbesserung und Degradationsminderung von Brennstoffzellen bereitzustellen. Die durch Datenanalyse und Erstellung von geeigneten Modellen erlangten Kenntnisse von bisher nicht verfügbaren Zusammenhängen zwischen Stack-Parametern und Lebensdauer- bzw. Performance-Kennzahlen ermöglichen außerdem Weiterentwicklungen in Bezug auf die Effizienzsteigerung von BZ-Stacks in Einsatzfeldern auch jenseits des Automobilsektors. Durch die Zusammenarbeit mit dem HZwo e. V. existiert bereits zu Beginn ein starkes Netzwerk, welche die Forschungsarbeiten weit verbreiten und die Innovationsbasis vorantreiben kann. Durch die Expertise der Verbundpartner wird diese Kompetenz weiter gestärkt, so dass ein tragfähiges Geschäftsmodell in Bezug auf modular aufgebaute digitale Zwillinge als Tool zur virtuellen Inbetriebnahme und Zustandsüberwachung von BZ-Stacks erfolgreich scheint.

Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik (IWU)

Reichenhainer Straße 88, 09126 Chemnitz

Teilprojekt: HZwo-DigiTwin MODELING

Modellbildung des Digitalen Zwillings zur Betriebsführung und Degradationsminderung

Albert Schmutzler Schnitt- und Stanzwerkzeuge GmbH

Basteiweg 2, 08280 Aue-Bad Schlema

Teilprojekt: HZwo-DigiTwin DESIGN 

Mechanische Auslegung und Umsetzung

Institut Chemnitzer Maschinen- und Anlagenbau e. V.

Otto-Schmerbach-Straße 19, 09117 Chemnitz

Teilprojekt: HZwo-DigiTwin VALIDATION

Digitale Funktionsmodelle für Experimentalplattform Fahrzeug

HQM Induserv GmbH

Johann-Esche-Straße 1, 09120 Chemnitz

Teilprojekt: HZwo-DigiTwin VALIDATION

Mechanische und chemische Charakterisierung des Digitalen Zwillings

Altran Deutschland SAS & Co KG

Alt-Moabit 98, 10559 Berlin

Teilprojekt: HZwo-DigiTwin SYSTEM 

Ganzheitliche System- und Technologiebetrachtung

Proton Motor Fuel Cell GmbH

HZwo e.V.

Die Projektpartner danken der Europäischen Union und der Bundesrepublik Deutschland für die finanzielle Unterstützung.