Systemsimulation alkalische Wasserelektrolyse

Grüner Wasserstoff ist ein zentraler Baustein der Energiewende. Der Betrieb von AEL-Anlagen mit erneuerbaren Energien erfordert ein flexibles Lastverhalten und stellt erhöhte Anforderungen an das Gesamtsystem. In dieser Arbeit ist das Simulationsmodell eines AEL-Systems untersucht, validiert, erprobt und um Degradationseffekte erweitert worden. Die Untersuchung der System- und Komponentenprogrammierung führte zu einer Bestimmung der angenommenen Vereinfachungen und den Systemgrenzen. Der Abgleich simulierter Polarisationskurven mit Experimentaldaten führte zu einer erfolgreichen Validierung des Modells. Das Systemverhalten wurde anhand von Betriebsszenarien beurteilt. Simulationen des Kaltstarts und unterschiedlicher Lastwechsel zeigten, dass das Modell thermische Trägheiten und Regelungsdynamiken physikalisch plausibel abbildet. Die Ergebnisse ermöglichten die Bewertung verschiedener Anfahrstrategien und quantifizierten den energetischen Mehraufwand bei dynamischem Betrieb. Die Simulationen erwiesen sich auch bei hochfrequenten Lastwechseln und über lange Zeiträume als numerisch stabil. Idealisierte Komponenten führten zu Limitationen bei der Beurteilung von Sicherheitsaspekten und Gasreinheit. Eine Berücksichtigung von Degradationsmechanismen im Zellmodell wurde implementiert. Dies erfolgte durch Manipulation des Eingangsstroms, um eine Verringerung der aktiven Elektrodenfläche zu simulieren. Die Ergebnisse für die Zunahme von Zellspannung und spezifischem Energieaufwand decken sich mit Literaturwerten.

Green hydrogen is a key component of the energy transition. The operation of AEL plants with renewable energies requires flexible load behavior and places high demands on the overall system. In this work, a simulation model of an AEL system was investigated, validated, tested, and extended to include degradation effects. Following an analysis of the system and component implementation, the model was successfully validated by comparing simulated polarization curves with experimental data. The system’s behavior was examined using operational scenarios. Simulations of cold starts and various load changes demonstrated that the model plausibly represents thermal inertia and control dynamics. The results enabled the evaluation of different start-up strategies and quantified the additional energy consumption during dynamic operation. The simulations proved to be numerically stable, even with high-frequency load changes and over long periods. Idealized components led to limitations in assessing safety aspects and realistically calculating gas purity.A method for modeling degradation mechanisms in the cell model was implemented. This was achieved by manipulating the input current to simulate a reduction in the active electrode area. The results for the increase in cell voltage and specific energy consumption are consistent with literature values.