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EINFACH OPTIMAL W er den Betrieb komplexer Anlagen mit veränderlichen Randbedingungen verbessern will, kommt an einer dynamischen Simulation nicht vorbei. Denn sie zeigt, welche Auswirkungen Veränderungen auf die gesamte Prozesskette haben, und hilft, bestmögliche Betriebspunkte aufzuzeigen. Für viele Anlagenbetreiber wäre darüber hinaus eine Simulation hilfreich, die direkt an die Produktion angebunden ist – gerade, wenn sie auf wechselnde Randbedingungen oder eine schwankende Produktnachfrage reagieren müssen. Das Problem bisher: Die gängigen Programme eignen sich eher für Berechnungen abseits des Tagesgeschäfts. Denn durch die großen Datenmengen und die komplexen Modelle reicht die Stabilität der Anwendungen häufig nicht, um dem Operator im laufenden Betrieb dauerhaft verlässliche Daten in kurzer Zeit zu liefern. Dieses Problem hat YNCORIS gelöst. SIMULATION FÜR DEN LAUFENDEN BETRIEB „Wir haben im Rahmen des Forschungsprojekts ‚PtG-MSE‘ eine Lösung entwickelt, mit der wir deutlich schneller und robuster die optimale Fahrweise einer Anlage ermitteln können“, sagt Ramona Götz aus dem Engineering von YNCORIS. „Je komplexer die Anlage, desto größer der Mehrwert.“ Besondere Vorteile bietet die neue Simulation, wenn beispielsweise regenerativer Energien genutzt wer den sollen und wegen der schwankenden Verfügbarkeit Pufferbehälter zum Ein satz kommen. Denn dann können Änderungen im Prozess auch Auswirkungen auf die zukünftigen Zustände in den Behältern haben. Gestartet war das Team ganz klassisch: mit einem komplexen, rigorosen Simulationsmodell, wie die Fachleute es nennen. „Uns war aber klar, dass das angeschlossene Energiemanagementsystem unseres Forschungspartners mit solch umfangreichen Modellgleichungssystemen nicht stabil laufen würde“, erklärt Götz. „Wir haben daher ein systematisches Vorgehen entwickelt, um diese Modelle zu vereinfachen. Damit werden sie für das System händelbar, liefern aber weiterhin belastbare Ergebnisse für einen optimierten Betrieb. Die Simulationen sind bezüglich der relevanten Parameter ebenso ausreichend genau, arbeiten aber mit geringeren Datenmengen.“ Gleichzeitig entwickelte das Team Lösungen, um eine virtuelle Testumgebung – einen sogenannten digitalen Zwilling – mit einem Prozessleitsystem im Betrieb zu verknüpfen. Dabei bildet eine zentrale Datenbank das Herzstück einer Plattform, die die Prognose- und Simulationsdaten mit den Daten aus der Anlage verbindet. Zusätzlich wurde ein Tool zur Unterstützung einer systematischen Betriebsdatenanalyse angebunden. Genau diese Erfahrungen kommen jetzt auch Kunden außerhalb des Forschungsprojekts zugute. Die neue Simulationslösung ist vor allem aufgrund ihrer Robustheit und Zuverlässigkeit in Echtzeit anwendbar. Dabei sind keine teuren kommerziellen Tools nötig, Lizenzgebühren entfallen. Götz ist sich sicher: „Damit ist die Lösung für viele unserer Kunden sehr attraktiv.“ Illustrationen: j-mel (S. 8 oben) und sester1848 (S. 8 und 9) – stock.adobe.com 8 | KNAPSACKSPIEGEL 4 / 2023
Strom speichern und Prozessveränderungen im laufenden Betrieb simulieren – das eine hat mit dem anderen auf den ersten Blick wenig zu tun. Und doch hilft ein erfolgreich abgeschlossenes Forschungsprojekt Betreibern genau hier. PtG-MSE Forschungsprojekt PtG-MSE steht für „Power-to-Gas-Modellvorhaben für sektorenübergreifende Energiesysteme“. Projektlaufzeit war von November 2019 bis Juni 2023. Das Ziel Ein Power-to-Gas-Netzwerk aufbauen, über ein übergeordnetes Energiemanagement steuern und dessen Möglichkeiten im realen dynamischen Betrieb einer Testanlage analysieren. Die Herausforderung Das Angebot an erneuerbaren Energien schwankt je nach Wetterlage und deckt sich zeitlich häufig nicht mit dem ebenfalls veränderlichen Bedarf in den einzelnen Energiesektoren. Gleichzeitig sind die Speichermöglichkeiten für elektrische Energie begrenzt. Zudem ändern sich Strompreise und Strombedarf ständig. Ein Netzwerk, das die Produktion sowie die Simulations-, Automatisierungs- und Energieüberwachungssysteme vereint, hat darüber hinaus bisher kaum jemand untersucht. Das Testfeld Um erneuerbaren Strom in speicherbares Gas umzuwandeln, reagieren Wasserstoff und CO₂ zu Methan und bilden so synthetisches Erdgas (SNG). Die Forschungsgruppe nutzt dazu den Strom einer Photovoltaikanlage und erzeugt so über eine Elektrolyse Wasserstoff. Zusätzlich wurde eine Direct Air Capture-Anlage errichtet, die CO₂ direkt aus der Umgebungsluft abscheidet. Zwischengeschaltete Gasspeicher ermöglichen einen flexiblen Betrieb der einzelnen Module. Der Vorteil Durch den optimierten Betrieb eines Power-to-Gas Netzwerks lassen sich die verfügbaren regenerativen Energiequellen vollständig nutzen. Gleichzeitig erhalten alle belieferten Sektoren zu jeder Zeit die Energie, die sie benötigen. Die Aufgabe von YNCORIS YNCORIS modellierte den gesamten Prozess und simulierte das dynamische Verhalten des Anlagenverbunds. Die Maßgabe: Strom sollte nur aus dem Netz bezogen werden, wenn Wind und Sonne über einen längeren Zeitraum nicht ausreichten. Außerdem entwickelten die Experten ein flexibles und anpassungsfähiges Regelungs- und Gesamtautomatisierungskonzept, das anschließend im Testfeld umgesetzt wurde. Damit lässt sich aus den prognostizierten Daten zu Wetter, Marktpreisen, Auslastung und Produktionskosten die passende Anlagenfahrweise im Gesamtverbund ableiten. Die Projektpartner Das Zentrum für BrennstoffzellenTechnik GmbH (ZBT) übernahm die Entwicklung und den Aufbau eines Testfeldes von mehreren 10 kW in Duisburg. Dort erprobte das ZBT das Konzept mit unterschiedlichen Prozesseinheiten zur Energieversorgung, -umwandlung, -speicherung und -nutzung. Der Lehrstuhl für Technische Thermodynamik der RWTH Aachen University entwickelte das Energiemanagementsystem, in das die von der YNCORIS entwickelten Prozessmodelle einfließen. Gefördert wurde das Projekt vom Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE). Der Ausblick Die bisherigen Ergebnisse sind ermutigend. Im Rahmen der Gesamtoptimierung des Netzwerks noch offene Fragen sollen in einem Folgeprojekt geklärt werden, in dem YNCORIS als assoziierter Partner mitwirken wird. KNAPSACKSPIEGEL 4 / 2023 | 9
