Das Forschungsprojekt HyControl entwickelt Hardware-in-the-Loop-Tests zur Entwicklung dynamischer Regelungssysteme für verfahrenstechnische Anlagen. Ziel sind flexibel betreibbare Chemieprozesse auf Basis erneuerbarer Energien, etwa für die Wasserstoffproduktion und Methanolsynthese.
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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.
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“, erläutert Dr. Matthias Fischer aus dem Bereich Prozess- und Anlagentechnik des Instituts für nachhaltige Wasserstoffwirtschaft (INW-4) am Forschungszentrum Jülich.
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“, sagt Dr. Manuel Gräber von TLK Energy.
Der steigende Anteil erneuerbarer Energien führt dazu, dass industrielle Anlagen zunehmend dynamisch betrieben werden müssen.
Neben großen zentralen Industrieanlagen entstehen außerdem zunehmend dezentrale Produktionsanlagen, die direkt an lokale erneuerbare Energiequellen wie Wind- oder Solarparks gekoppelt sind. Diese Anlagen sind deutlich stärkeren Energieschwankungen ausgesetzt als klassische Chemieanlagen.
„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“, sagt Dr. David Jasper von NEUMAN & ESSER.
Das Unternehmen bringt im Projekt unter anderem das Modell eines containerisierten Elektrolyseurs sowie das integrierte Automatisierungs- und Monitoringsystem ein.
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“, erklärt Prof. Ralf Peters vom IET-4.
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:
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“, erklärt Dr. Urs Christen vom INW-4.
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.
Am Forschungsprojekt HyControl sind mehrere Partner aus Forschung und Industrie beteiligt:
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.
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.
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