Pilotkurs H2Giga: Scale Up Elektrolyseure

BMBF Förderkennzeichen: 03HY101B

Wie bei allen chemischen Produkten beginnt die Entwicklung von Prozessen zur industriellen Wasser-Elektrolyse im Labor. Der Übergang vom Labor in den industriellen Maßstab ist komplex, zeit- und kostenintensiv. Die Ausrüstungsgenstände der Laborentwicklung sind in der Regel keine Miniaturausgaben industrieller Apparate und Maschinen. Laborgeräte werden häufig für einen spezifischen Aspekt entwickelt, z.B. um die Frage zu klären, welchen Einfluss die Anströmgeschwindigkeit einer Elektrode auf Umsatz und Selektivität hat.

Prototypen im industriellen Maßstab können aus Kosten- und Zeitgründen in der Regel nicht untersucht werden. Man versucht, die technischen und wirtschaftlichen Risiken zu begrenzen, indem man Erfahrungen in kleinerem Maßstab sammelt, z. B. mit dem Ziel, die geometrischen Parameter eines Apparates und die Prozessparameter des Prozesses zu verstehen und zu optimieren. Für eine erfolgreiche Maßstabsvergrößerung entscheidend ist, dass sich die für den Wärme- und Stofftransport essentielle volumenbezogene Oberfläche umgekehrt proportional zum Durchmesser, also zum Maßstab verhält. Daher ist die Maßstabsvergrößerung keine triviale Aufgabe einfacher linearer Proportionalitäten.

Hier kann die Ähnlichkeitstheorie bzw. Dimensionsanalyse einen wichtigen Beitrag leisten. Es werden Kennzahlen und Funktionen abgeleitet, die von der Geometrieparametern, den Prozessparametern und den Stoffwerten unabhängig sind. An Modellapparaturen und mit Hilfe von Modellsubstanzen ermittelte Zusammenhänge können im Rahmen der experimentellen Gültigkeitsbereiche beliebig skaliert werden. Die wertvollsten Informationen liefern jedoch die Proportionalitäten, die zwischen den dimensionslosen Kenngrößen bestehen. Diese sind durch eine große Anzahl von Experimenten abgesichert und damit sehr verlässlich. Eine erfolgreiche Maßstabsvergrößerung basiert auf einer hybriden Mischung aus Wissen, Techniken und Erfahrungen aus den Natur- und Ingenieurswissenschaften.

In diesem Kurs lernen Sie, ähnlichkeitstheoretische Beziehungen bei der Maßstabsvergrößerung verfahrenstechnischer Apparate und Maschinen zu nutzen. Basis der Maßstabsvergrößerung sind die aus der Ähnlichkeitstheorie bzw. der Dimensionsanalyse abgeleiteten Proportionalitäten. Sie können eine Relevanzliste erstellen und die Entwicklung der entsprechenden dimensionslosen Kennzahlen nachvollziehen. Sie können die ähnlichkeitstheoretischen Gleichungen bei der Maßstabsvergrößerung anwenden und nutzen die aus den Kennzahlen und Gleichungen abgeleiteten Proportionalitäten. Die Teilnehmerinnen und Teilnehmer kennen die Stärken und Schwächen der Skalierung auf Basis ähnlichkeitstheoretischer Ansätze und wissen, wann es sinnvoll ist, hybride Methoden aus Ähnlichkeitstheorie und Lösung der Bilanzgleichungen einzusetzen.

Zusätzlich wird die modulare Automation für Elektrolyseure thematisiert. Neben der verfahrenstechnischen Betrachtung resultieren auch bei der automatisierungstechnischen Integration von Elektrolyseuren in Prozessleitsysteme Herausforderungen beim Scale- bzw. Numbering-up.

Bei der Integration von Elektrolyseuren bzw. Elektrolyseuranlagen wird zunehmend auf herstellerunabhängige Lösungen gesetzt, was durch OPC UA (Open Platform Communication Unified Architecture) gegeben ist. Zusätzlich werden über das Module Type Package (MTP) Konzept wertvolle Semantik zur Beschreibung des OPC UA Servers sowie Informationen zum Bedienbild, verfügbarer Dienste und Alarme des Moduls bereitgestellt.

So lässt sich ein Plug & Produce-Ansatz auch in der Automatisierung umsetzen. Im Kurs wird eine Übersicht zu genannten Technologien gegeben und mit Hilfe von Anwendungsbeispielen verdeutlicht, wie die Integration von Elektrolyseuren und Elektroyseuranlagen deutlich schneller und effizienter im Vergleich zu klassischen Methoden umsetzbar ist.

Hinweis: es handelt sich um einen Pilotkurs, die Teilnahme für H₂Giga-Projektpartner ist kostenfrei. Eine ausführliche Online-Evaluierung des Kurses sowie die Bereitschaft zu einem Feedbackgespräch (optional, ca. 15-30 Minuten) nach Kursende sind verpflichtend.