View/Open - JUWEL - Forschungszentrum Jülich

4 Methodik der Modellbildung
Die detaillierte Modellierung komplexer Prozesse erfordert zunächst eine Aufteilung des Gesamtsystems
in handhabbare Subsysteme. Für diesen Strukturierungsprozess stellt die Systemtheorie
grundlegende Strategien zur Verfügung, die nachfolgend vorgestellt und auf das in
dieser Arbeit betrachtete Brennstoffzellensystem übertragen werden. Zur Modellierung des dynamischen
Verhaltens der einzelnen Teilsysteme ist ein einheitlicher und leicht übertragbarer
Modellansatz zweckmäßig. Aus der Verfahrenstechnik sind diesbezüglich unterschiedliche Vorgehensweisen
bekannt. Für die vorliegende Systemsimulation werden daher ein Ansatz als gemeinsames
Grundelement aller Komponentenmodelle ausgewählt, die zugrunde liegenden Modellannahmen
erläutert und die verwendeten instationären Erhaltungsgleichungen für Stoffmenge
und Energie hergeleitet. Das Kapitel schließt mit Besonderheiten zur Programmgestaltung
ab.
4.1 Systemtheoretische Grundlagen
Aufgrund der zunehmenden Komplexität technischer Apparate und Anlagen ist ein systematischer
Modellierungsansatz erforderlich, um übersichtliche Modelle und einen nachvollziehbaren
Modellierungsweg zu gewährleisten. Allgemeingültige Werkzeuge zur Strukturierung des
Modellierungsprozesses sind aus der Systemtheorie bekannt, deren Ziel eine einheitliche
methodische Behandlung von Systemen unterschiedlicher Wissenschaftsgebiete ist. Wesentliches
Merkmal der systemtheoretischen Vorgehensweise ist das Zerlegen eines Prozesses in
abgegrenzte, miteinander wechselwirkende Bausteine. Bei einem Brennstoffzellensystem treten
diese Wechselwirkung sowohl makroskopisch zwischen gekoppelten Anlagenkomponenten als
auch lokal innerhalb einer Komponente durch parallel ablaufende physikalisch-chemische Prozesse
auf. Es stellt sich somit also eine sehr vielschichtige und multi-disziplinäre Modellierungsaufgabe.
Die nachfolgend vorgestellten Konzepte helfen hier, das Gesamtsystem sinnvoll zu
strukturieren und anschließend in eine geeignete mathematische Formulierung zu übersetzen.
4.1.1 Strategien zur MOdellstrukturierung
Ein komplexes verfahrenstechnisches System kann in verallgemeinerter Form als Netzwerk gekoppelter
Teilsysteme aufgefasst werden. Beispiele für einzelne Teilsysteme sind die verfahrenstechnischen
Prozesseinheiten. Sie können häufig unabhängig voneinander modelliert
werden. Bild 4.1 veranschaulicht die Zerlegung eines Gesamtsystems in miteinander in Wechselwirkung
stehende Teilsysteme. In der Systemtheorie wird diese Vorgehensweise als Top­
Down-Strategie oder Dekomposition bezeichnet; der Zerlegungsprozess endet auf der untersten
Hierarchieebene bei nicht weiter aufteilbaren, elementaren Einheiten. Der umgekehrte
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