Beschreibung

Herausforderung:

Die mit grünem Wasserstoff (H₂) betriebene Brennstoffzelle stellt insbesondere im Schwerlastverkehr (Heavy Duty, HD) eine Alternative zur Verwendung fossilen Dieselkraftstoffs dar. Deren Erforschung und Entwicklung erfordert eine kostengünstige, anpassbare und flexible Prüfinfrastruktur. Derzeit gibt es keine hochtechnisierte Prüfstandeinrichtungen mit Simulationsanbindung speziell für Wasserstoffanwendungen. Die besondere Herausforderung besteht u.a. darin, dass im Nutzfahrzeugbereich die Anwendungsbreite sehr hoch ist und z.B. für Fernverkehr und Mülllasterbetrieb sehr unterschiedlichen Optimierungslösungen gefunden und umgesetzt werden müssen. Dies führt zu einer sehr starken Diversifizierung der im Gesamtsystem zum Einsatz kommenden Einzelkomponentenauslegung.

Projektziel:

Das Projektziel der geplanten Kleinkooperation “H₂TwinTest” ist die Bereitstellung eines kombinierten, hybriden (Hardware und Simulation) Multifunktionsprüfstandes für komplette H₂-Antriebssysteme im Leistungsbereich von 500 kW bis 1 MW. Zudem sollen neue, implementierbare Testmethoden zur Langlebigkeit entwickelt werden. Begleitend wird ein Sicherheitskonzepts erarbeitet und am Ende sollen allgemeine Handlungsempfehlungen für den sicheren Betrieb von Wasserstoff-/Batterieverbundanlagen zur Verfügung stehen.

Vorgehensweise:

Die Entwicklung und der Aufbau des Hardware-Prüfstands bei der IAVF Antriebstechnik GmbH (IAVF) erfolgt durch die Festlegung der Anwendungsbereiche, die Bestimmung der Hard- und Softwareanforderungen, sowie die Definition des Systemlayouts. Der Prüfstand soll mit Automatisierungs- und Sicherheitstechnik für Funktionsuntersuchungen und Dauerlauf ausgestattet werden. Zudem soll er über eine umfangreiche Messtechnik für Analysen des gesamten Antriebssystems inkl. Elektrik/Elektronik-Architektur abwärtskompatibel bis hin zu Sonderuntersuchungen auf Zellebene verfügen.

Parallel dazu wird am Fraunhofer Institut für Chemische Technologie (Fraunhofer ICT) ein digitaler Zwilling des Gesamtsystems entwickelt. Dazu gehört die Modellierung der Prüfstandumgebung, der eigentlichen Prüflinge (Brennstoffzellen, H₂-Verbrennungsmotoren) und verschiedener Anwendungsumgebungen (PKW, Linienbusse, HD, etc.).

Anschließend soll der Prüfling auf dem Prüfstand der IAVF über einen Hardware-im-Komplettsystem Ansatz direkt mit der echtzeitfähigen Simulationsumgebung gekoppelt werden.

Neben der vorhandenen Fähigkeit zur Messung mit unterschiedlichen Surrogatreformaten werden relevante Messmethoden für mögliche Degradationsprozesse in wasserstoffbetriebenen Brennstoffzellen implementiert, die auch die Erprobung neuer Testmethoden in definierter Umgebung erlauben.

Da größtenteils prototypische Wasserstoffverbraucher und Batteriesysteme eingesetzt werden, sind Schutzmaßnahmen erforderlich, die über den herkömmlichen betrieblichen und baulichen Explosions- bzw. Brandschutz hinausgehen. Die Entwicklung, Auslegung und Wirksamkeitsprüfung der Schutzmaßnahmen begleitet das ICT mit detaillierten CFD-Simulationen zur Gasausbreitung, sowie die mechanische und thermische Belastung der Prüfstände und deren Umgebung unter zuvor definierten Worst-Case Szenarien.

Verwertung:

Die aktuellen Transformationsprozesse in der Automobilbranche weg von der Verbrennung fossiler Kraftstoffe erfordern die Erschließung neuer Marktsegmente und ist somit eine wichtige strategische Maßnahme zur Sicherung des künftigen wirtschaftlichen Erfolgs vieler Unternehmen. Das gewonnene Know-how und die Prüfstände für wasserstoffbetriebene Antriebssysteme im Bereich bis 1 MW und darüber hinaus können unmittelbar die Entwicklung Wasserstoff-betriebener Antriebe fördern und zu einem schnelleren Serieneinsatz verhelfen. Zudem werden Handlungsempfehlungen den sicheren Umgang mit kombinierten Wasserstoff- und Hochvoltbatteriesystemen ermöglichen.