Energieversorgung: Mit dem Digitalen Zwilling zur CO2-freien Stadt

Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Thomas Kuther

Forscher der Hochschule Würzburg-Schweinfurt haben ein Simulationsprogramm entwickelt, mit dem sich das Nutzen, Speichern und Verteilen regenerativer Energie auf Basis eines umfangreichen Datenpools theoretisch durchspielen lässt.

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Strom- und Gasnetz: Die Grafik veranschaulicht die Einsatzmöglichkeiten.
Strom- und Gasnetz: Die Grafik veranschaulicht die Einsatzmöglichkeiten.
(Bild: FHWS / Paulus, Specht et.al., DVGW)

Das Computermodell kann dazu dienen, technische, politische wie wirtschaftliche Schlussfolgerungen zu ziehen und daraus bessere Entscheidungen abzuleiten. Langfristig soll eine Infrastruktur bereitgestellt und geschaffen werden, um die Wettbewerbsfähigkeit von Industrieregion und Arbeitsplätzen zu gewährleisten, die Stadt CO2-frei zu gestalten und sie wirtschaftlich mit Energie zu versorgen.

Die Hochschule für angewandte Wissenschaften Würzburg-Schweinfurt (FHWS) unterstützt damit aktiv die notwendige Transformation der Industrie vor Ort und ermöglicht eine ökologische Ökonomie, die klimaneutral ist und bezahlbar bleibt. Das Programmsystem kann mit den entsprechenden Anpassungen auch auf andere Regionen und Kommunen angewendet werden.

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Energieversorgung: Simulation mit einem digitalen Zwilling

Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler rund um Dekan Prof. Dr. Johannes Paulus haben als Konzept des Simulationsprogramms den Ansatz eines digitalen Zwillings gewählt. „Der Aufbau eines digitalen Zwillings ist der erste Schritt zur Konzeption und Errichtung einer realen Anlage“, so Paulus.

Simuliert wird das Stadtgebiet Schweinfurt und dessen Versorgungsstruktur über eine Sektorenkopplung mit verschiedenen Energieträgern, u.a. Strom, Erdgas, Sonnen-, und Windenergie, Wasserkraft, Kohle oder Öl. Module für z.B. Geothermie, Biogas und andere Energieträger können in das Programm ebenfalls integriert werden. In Testdurchläufen kann man nachahmen, welchen Energiebedarf der Verkehr, Privathaushalte oder Unternehmen benötigen und wie dieser gedeckt werden kann.

Detailmodule für Elektrolyseur und Brennstoffzelle

Die Frage: Wie lässt sich das System so einrichten, dass das Ziel einer grünen Stadt Schweinfurt nicht Utopie bleibt? Prof. Dr. Paulus erläutert die Schritte: „Eine erste Beta-Version ist im Rahmen von Bachelor- und Masterarbeiten im Labor für Thermodynamik und Energietechnik entstanden. Das Programm ist jetzt lauffähig.“

Für das Programm wurden eigene Detailmodule für einen Elektrolyseur und eine Brennstoffzelle entwickelt und integriert, d.h. es kann virtuell bereits eine Power-to-Gas-Anlage inklusive der Rückverstromung simuliert werden. In einem Elektrolyseur wird durch elektrischen Strom Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten. Der Wasserstoff kann gespeichert und für verschiedene Anwendungen genutzt werden. Eine Möglichkeit ist die Rückverstromung in einer Brennstoffzelle, wobei Brennstoffzellen auch in Fahrzeugen zum Einsatz kommen können.

Simulationsmodelle sollen im nächsten Schritt verfeinert werden

In weiteren Etappen werden im FHWS-Labor für Thermodynamik detailliertere numerische Simulationsmodelle für Brennstoffzellen und Elektrolyseure in der sogenannten „Mikroskala“ entwickelt: Mit diesen Modellen kann man exakte thermodynamische, strömungsmechanische und elektro-thermodynamische Abläufe berechnen.

Als ein weiteres Projekt benennt Prof. Dr. Paulus das Simulationsmodell eines Brennstoffzellen-Fahrzeuges auf Systemebene: Die Brennstoffzellentechnologie sei hierbei integraler Bestandteil der Antriebsstrategie. Mit dem Modell können die Einsatzmöglichkeiten von Brennstoffzellen in Kraft- und Nutzfahrzeugen untersucht, deren Größe bestimmt und geeignete Nutzungsstrategien entwickelt werden.

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