vgbe energy journal 7 (2022) - International Journal for Generation and Storage of Electricity and Heat

Wasserstoffbasierte Hybridlösungen
Bild 4. Digitaler Zwilling mit grafischer Echtzeitsimulation in der Produktionstechnik.
Das B i l d 3 zeigt ein Blockschaubild für ein
mögliches Hybridkraftwerk am Beispiel eines
Kunden, für den die INP Deutschland
GmbH gemeinsam mit der HEITEC Innovation
GmbH ein solches Konzept auf den Weg
gebracht haben.
Das Ganze kann aber nur funktionieren,
wenn die physikalischen und elektrischen
Eigenschaften aller Komponenten bekannt
sind und in einer zentralen Energiemanagementinstanz,
dem EMS kontinuierlich im
optimalen, vorausschauenden Lastbereich
gehalten und geregelt werden.
4 Digitale Datenmodelierung
– Der digitale Zwilling
Das Simulationskonzept Virtuelle Inbetriebnahme
mit Digitalen Zwillingen ist eine verbreitete
und gelebte Methode zur Validierung
und Inbetrieb-setzung von Steuercode
in den Bereichen Sondermaschinen- und
Anlagenbau, sowie in der Logistik. Dabei
werden reale Geräte und Programmierungen
über Netzwerke und Signalverbindungen
mit virtuellen Simulationsumgebungen
verbunden, die in der Lage sind, Anlagenund
Maschinenverhalten in Echtzeit zu
emulieren. Häufig werden reale Steuerplattformen
und Leitrechnerarchitekturen über
die realen, industriellen Feldbussysteme
über virtuelle Peripherie mit einem virtuellen
Maschinenmodell in verbunden und das
Maschinenverhalten grafisch dargestellt.
B i l d 4 zeigt zwei Zustände einer virtuellen
Maschine, die grafisch dem Verhalten der
echten Maschine gleichen.
Beim digitalen Zwilling werden Prozessabläufe,
Fehlerabläufe und die Anlagensicherheit
getestet, bevor der nun ausgereifte
Steuercode auf die realen Anlagen aufgespielt
wird. Durch diese Art der gesamtheitlichen
Validierung, wird ein schneller Anlagenanlauf,
ein Testen von real nicht durchführbaren
Störszenarien und somit eine
Vermeidung etwaiger Havarien zu einer
unkritischen Projektphase, vorbeugend abgenommen.
Explizit zu erwähnen ist, dass
diese Simulationsmodelle rein logisch fungieren.
Das heißt, eine real physikalische
Abbildung der Anlage findet nicht statt. Es
werden die Steuerabläufe und Übertragungsprotokolle,
sowie die Leitrechneranbindungen
anhand des Maschinenmodelles
mit integriertem Material- und Stofffluss
validiert. Dies reicht hinreichend aus, um in
der Sparte Automatisierungstechnik im Bereich
Sondermaschinen- und Anlagenbau,
eine erfolgreiche und äußerst effiziente Inbetriebnahme
sicherzustellen. In der Gebäudeleittechnik
werden diese Technologien
aktuell nicht eingesetzt. Durchzunehmende
Automation und Steuerung von Gebäudekomplexen,
insbesondere mit dem Hintergrund
einer komplexen und intelligenten
CO 2 -neutralen Energieversorgung, ist der
Einsatz dieser Validierungsmethoden, aufbauend
auf der virtuellen Inbetriebnahme
mit Digitalen Zwillingen unumgänglich.
Biomasse
Geothermie
Wind,
Freiflächen
- Dach PV
regenerativer
Strom
Netz
Verteiler
Ein wegweisender Produktivitätshebel vor
der Anlagenerrichtung eines komplexen Hybridkraftwerkes
ist die softwarebasierte Unterstützung
der Engineering-Prozesse durch
virtuelle Modelle von Anlagensystemen,
Energieapplikationen und Stoffflüssen. Mit
Hilfe des Digitalen Zwillings und der Prozessvalidierung,
werden Energiekonzepte,
sowohl in ihrer Funktionalität als auch in
ihrem Zeitverhalten, getestet und Prozessabläufe
schon vor der Realisierung optimiert.
Der Digitale Zwilling bildet mit der realen
Inbetriebnahme am virtuellen Modell alle
gegenwärtigen und künftigen Betriebsabläufe
in der entsprechenden Erzeugungsumgebung,
wenn nötig, in Echtzeit ab und kann
diese mit der originalen Leitsteuerarchitek-
Stromversorung
Batteriespeicher
überschüssiger
Grünstrom
grüner Wasserstoff
Die simulative Abbildung von hybriden
Strukturen zur Bereitstellung von Strom,
Wärme und Kälte aus technisch unterschiedlichen
Energiesystemen (Erzeugung, Speicherung,
Verbrauch), ist Ziel der Anwendung.
Die Erfahrungen aus der firmeneigenen
Modellbibliothek Digitale Fabrik schafft
die Möglichkeit einen gesamtheitlichen
Zwilling der jeweiligen Anwendungen im
virtuellen Raum zu erstellen, um eine autarke
Energieversorgung planen, sicherzustellen
und optimieren zu können. Hierbei wird
auf die Technologie Digitaler Zwilling aus
der Automatisierungstechnik zurückgegriffen,
welche durch die Kopplung mit elektrochemischen,
elektro-physikalischen und
elektro-thermischen Zwillingen zu einem
gesamtheitlichen und vollwertigen Abbild
der realen Anwendung im virtuellen Raum
reift. Das hierdurch entstehende Simulationsmodell
befähigt den Betreiber und den
Anlagenbauer, die notwendigen Algorithmen
für die Regelung des grünen Energie-Mixes,
des entstehenden Hybridkraftwerkes,
die Auswertung der Messdaten und
die Integration der neuen Abläufe, Regler-
Algorithmik und KI, in den Leitrechnerstrukturen
vorab zu validieren. Dieses Vorgehen
stellt kürzeste Übergangszeiten zur
autarken Energieversorgung, sowie einen
bereits von Anfang an optimierten Betrieb
des komplexen Zusammenspiels der Anlagen
dar.
5 Zentrale Steuereinheit
– Das Energiemanagementsystem
EMS
O
ELY
Bild 5. Lösungsansatz Wasserstoffbasiertes Hybridkraftwerk.
HS
H+
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Gebäude
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