HyControl: Flexible Chemie­prozesse für erneuerbare Energien

Wenn Chemieanlagen lernen, mit schwankendem Energieangebot umzugehen

Viele chemische Anlagen wurden für einen kontinuierlichen Betrieb mit fossilen Energie­trägern ausgelegt. In einem Energie­system mit erneuerbaren Energien ändern sich diese Rahmenbedingungen grund­legend: Strom aus Wind und Sonne steht nicht konstant zur Verfügung. Auch die Strompreise schwanken, sodass ein flexibler Anlagenbetrieb in vieler Hinsicht wirtschaft­liche Vorteile bieten kann.

Damit industrielle Prozesse weiterhin effizient betrieben werden können, sollten Anlagen künftig in der Lage sein auf das schwankende Energieangebote reagieren zu können. Das Forschungsprojekt HyControl setzt genau an dieser Heraus­forderung an und betrachtet hierfür insbesondere Prozesse der Wasserstoff­produktion sowie chemische Folgeprozesse wie die Methanolsynthese.

Ziel ist es, neue Methoden zur Entwicklung und Erprobung von Leit-, Steuerungs- und Regelungssystemen für verfahrens­technische Anlagen zu entwickeln. Ein zentraler Ansatz ist der Einsatz von Hardware-in-the-Loop-Testing (HiL) mit echtzeitfähigen Simulationsmodellen.

Förderung: Das Ministerium für Wirtschaft, Industrie, Klimaschutz und Energie des Landes Nordrhein-Westfalen, kofinanziert von der Europäischen Union, fördert HyControl über eine Laufzeit von drei Jahren mit insgesamt 1,96 Millionen Euro im Rahmen des Innovationswettbewerbs Energie.IN.NRW.

Hardware-in-the-Loop: Entwicklung und Tests schon vor dem Anlagenbau

Hardware-in-the-Loop ermöglicht es, reale Steuerungs- und Regelungssysteme mit einem Echtzeit-Simulationsmodell einer Anlage zu koppeln. Die Simulation erzeugt dabei die gleichen Sensor- und Aktorsignale wie eine reale Anlage.

Dadurch können Steuerungs- und Regelungs­konzepte unter realistischen Bedingungen getestet werden – noch bevor eine Anlage gebaut wird.

„HiL simuliert reale Betriebs­bedingungen und liefert so Ergebnisse, bevor die Anlage gebaut ist. Das spart Kosten und Zeit bei der Entwicklung von Steuerungs- und Regel­ungssystemen für neue, klimafreundliche Chemie­anlagen.“
Dr. Matthias Fischer
Forschungszentrum Jülich (INW-4)

Während HiL-Technologien beispielsweise im Automobil- oder Flugzeugbau bereits seit vielen Jahren eingesetzt werden, wurden sie in der Verfahrenstechnik bislang nur selten genutzt.

„HiL wurde in der Verfahrens­technik kaum genutzt – es fehlten sowohl der dringende Bedarf als auch robuste dynamische Modelle. Mit der Energiewende entsteht dieser Bedarf, und in HyControl entwickeln wir die dafür not­wendigen Modelle.“
Dr. Manuel Gräber
TLK Energy

Flexiblere Prozesse für erneuerbare Energien

Der steigende Anteil erneuerbarer Energien führt nicht nur dazu, dass ein dynamischer Anlagenbetrieb sinnvoll wird. Gleichzeitig gewinnen neben großen zentralen Industrie­­anlagen zunehmend dezentrale Produktionsanlagen an Bedeutung, die direkt an lokale erneuerbare Energiequellen wie Wind- oder Solarparks gekoppelt sind.

„Dezentrale Produktions­anlagen werden im Energiesystem der Zukunft eine wesentlich größere Rolle spielen. Unser 5-MW-Elektro­lyseur in Container-Bauweise erfüllt diese Aufgabe. Wir sehen großes Potenzial in einer weiterentwickelten Steuerungstechnik, die die Lastflexibilität unserer modularen Anlage steigert.“
Dr. David Jasper
NEUMAN & ESSER

Dynamische Regelung von Elektrolyseuren

Ein Schwerpunkt des Projekts liegt auf der Entwicklung neuer Regelungskonzepte für Elektrolyseure, die aus erneuerbarem Strom Wasserstoff erzeugen.

Das Jülicher Institute of Energy Technologies (IET) arbeitet im Projekt an entsprechenden Regelungsansätzen, um Elektrolyseure besser an schwankende Energieangebote anpassen zu können.

„Zusätzlich zu den Fortschritten in der Materialforschung sollen zukünftige Elektrolyseure Schwankungen im Energie­angebot zunehmend besser folgen können. Daher benötigen wir intelligente Betriebsführungskonzepte sowie Steuerungseinheiten, die auf die Dynamik erneuerbarer Energien reagieren können.“
Prof. Ralf Peters
Forschungszentrum Jülich (IET-4)

Kopplung von Elektrolyse und Methanolsynthese

Neben der Wasserstoffproduktion untersucht das Projekt auch die Kopplung von Elektrolyseprozessen mit der Synthese chemischer Wasserstoffträger, beispiels­weise Methanol.

Dabei müssen zwei Prozesse flexibel miteinander kombiniert werden:

• die Elektrolyse zur Herstellung von Wasserstoff
• die Methanolsynthese, bei der Wasserstoff mit Kohlenstoffdioxid zu Methanol reagiert.

Beide Prozesse müssen künftig in der Lage sein, Schwankungen im Energieangebot erneuerbarer Energien nachzufahren.

„Hier brauchen wir eine komplexe Regelungs- und Automatisierungstechnik, die wir entwickeln und zeigen wollen.“
Dr. Urs Christen
Forschungszentrum Jülich (INW-4)

Modellierung und Simulation

TLK Energy bringt im Projekt seine Erfahrung in der Modellierung und Simulation thermischer und verfahrens­technischer Systeme ein. Im Rahmen von HyControl werden dynamische Modelle entwickelt, die reale Betriebs­bedingungen abbilden und in Hardware-in-the-Loop-Testständen eingesetzt werden können.

Diese Modelle ermöglichen es, neue Steuerungs- und Regelungsstrategien frühzeitig zu testen und die Entwicklung zukünftiger Anlagen zu beschleunigen.

Projektpartner

Am Forschungsprojekt HyControl sind mehrere Partner aus Forschung und Industrie beteiligt:

• ‍Forschungszentrum Jülich mit dem Institut für nachhaltige Wasserstoff­wirtschaft (IHE-4) und dem Jülicher Institute of Energy Technologies (IET-4)‍
• NEUMAN & ESSER (Anbieter von Wasserstoff-Komplettlösungen und Hersteller von Elektrolyseuren)

Im Detail: Ein Blick in die technische Umsetzung

Ein zentraler Bestandteil von HyControl ist die Entwicklung dynamischer Simulations­modelle, die das Verhalten realer Anlagen ausreichend genau abbilden. Für Hardware-in-the-Loop-Anwendungen müssen diese Modelle jedoch nicht nur physikalisch korrekt sein, sondern auch echtzeitfähig und robust laufen.

Dazu werden physikalisch basierte Modelle auf Basis der Process Systems Library (PSL) mit vereinfachten Modellansätzen kombiniert und anhand realer Anlagen­daten validiert. Die Simulationen bilden beispielsweise das Verhalten von Elektro­lyseuren sowie nachgelagerten chemischen Prozessen wie der Methanol­synthese ab und können später in Hardware-in-the-Loop-Testständen ein­gesetzt werden.

Die entwickelten Modelle werden mit realer Automatisierungstechnik gekoppelt. Der Hardware-in-the-Loop-Simulator erzeugt dabei typische industrielle Signale und Schnittstellen – beispielsweise Profinet, Profibus oder 4–20-mA-Signale – und überträgt diese an reale Steuerungs­einheiten wie speicher­programmier­bare Steuerungen (SPS). So lässt sich am Hardware-in-the-Loop-Teststand untersuchen, wie Steuerungs- und Regelungs­systeme auf dynamische Prozess­bedingungen reagieren, ohne direkt an einer realen Anlage arbeiten zu müssen.

Ein weiterer Schwerpunkt des Projekts liegt auf der Entwicklung durchgehender Leitsysteme, die eine Kommunikation bis in die Feldebene ermöglichen. Dabei werden unter anderem bereits verfügbare Technologien und Kommunikations­protokolle untersucht, etwa Ethernet-APL oder das Modular Type Package (MTP). Ziel ist es, die Integration von Anlagen­modulen unterschiedlicher Hersteller zu erleichtern und eine bidirektionale Kommunikation mit Feldgeräten zu ermöglichen.

Dadurch können beispielsweise Zustands­daten einzelner Komponenten einfacher ausgelesen werden. Das eröffnet neue Möglichkeiten für den Fernbetrieb von Anlagen sowie für zustandsbasierte Wartungs­konzepte. Gleichzeitig wird untersucht, wie sich bestehende Feldgeräte durch geeignete Sensor-Aktor­kombina­tionen zu intelligenten Feld­geräten erweitern lassen, die zusätzliche Informa­tionen über den Anlagenzustand bereit­stellen können.