H₂ProSim – Die validierte Toolbox zur ganzheitlichen Prozess-Simulation und Optimierung von Wasserstoff- und Power-to-X-Systemen

Unsere Simulationstoolbox »H₂ProSim« (Hydrogen Process Simulation) dient der modellbasierten, techno-ökonomischen Bewertung von Wasserstoffanlagen sowie von Power-to-X-Produkten wie Flüssigwasserstoff, Methanol, eSAF oder Ammoniak, bis hin zu kompletten Wasserstoffversorgungsketten. »H₂ProSim« basiert auf der etablierten Programmfamilie Matlab/Simulink/Stateflow und ermöglicht detaillierte Systemmodellierungen, dynamische Simulationen verschiedener Komponenten und Analysen der Betriebsführung entlang beliebiger Wasserstoffversorgungsketten. Neben der Bewertung spezifischer Elektrolyseanlagen, sowie der weiteren Komponenten eines Wasserstoffsystems wie der Konversion in nachhaltige synthetische Energieträger, der Speicherung und der gesamten Logistik unterstützt »H₂ProSim« auch die Konzeptentwicklung solcher Versorgungsketten (z.B. Offshore-Wasserstoffproduktion oder hybride Systeme basierend auf EE-Strom und der Reformierung biogener Reststoffe).

Eine Erweiterung bietet HYSCOPE®, unser räumlich aufgelöstes Optimierungssystem für Wasserstoff. Mithilfe von HYSCOPE® lassen sich die nichtlinearen Dynamiken und komplexen räumlichen Abhängigkeiten regionaler Lieferketten erfassen und räumlich aufgelöste Analysen ganzer Regionen inkl. Standortvergleichen, Transportbedarfen und Infrastrukturbewertung durchführen.

Das Fraunhofer ISE entwickelt und optimiert seit über 10 Jahren das umfangreiche Tool. »H₂ProSim« wurde in einer Vielzahl von Projekten eingesetzt und hat sich durch den engen Austausch mit Industriekunden als leistungsfähiges Werkzeug bewährt. Je nach Kundenwunsch können wir flexibel individuelle Anpassungen oder Weiterentwicklungen einzelner nichtlinearer Modelle umsetzen und szenarienbasierte Simulationen durchführen. Ergebnisse aus unseren praxisorientierten FuE-Projekten und eigenen Forschungsplattformen fließen zur Validierung in die einzelnen Modelle von »H₂ProSim« ein.

»H₂ProSim« eignet sich hervorragend für die Beantwortung spezifischer Fragen der Wasserstoffsystemauslegung und Kostenprognose. In Kombination mit einem genetischen Optimierungsalgorithmus identifiziert »H₂ProSim« optimale Systemkonfigurationen, welche unter Berücksichtigung der konkreten Standortbedingungen die geringsten Erzeugungskosten erzielt werden. 

Unsere Services mit »H₂ProSim« umfassen:

Modellierung und Simulation des dynamischen Betriebsverhaltens von Wasserstoffsystemen

Optimierung von Wasserstoffsystemen 

Technoökonomische Analyse der gesamten PtX-Wertschöpfungskette

Räumlich aufgelöste Modellierung von regionalen Wasserstoffsystemen mit HYSCOPE®

Die Simulationen der mit H₂ProSim erstellten Wasserstoffsystemmodelle werden in der Regel dynamisch durchgeführt und ermöglichen somit eine genauere Analyse der Systemdynamik und des Teillastverhaltens einzelner Komponenten. Je nach Anforderung können die Modelle sehr detailliert ausgeführt werden: vom charakteristischen, lastabhängigen Verhalten auf Elektrolysezellenebene bis hin zur Zustandsregelung des Elektrolysesystems (Betrieb, Standby, etc.) inklusive aller Balance-of-Plant (BoP)-Komponenten.

Der hohe Detaillierungsgrad von H₂ProSim ist essentiell für die umfassende Bewertung von Wasserstoffanlagen und die Erstellung von Wasserstoff-Ertragsgutachten. Die Auswertung umfasst neben der Produktionsmenge wichtige Parameter wie Wirkungsgrad, Volllaststunden oder abgeregelte Strommenge, aber auch die Energieströme zu den einzelnen Komponenten und eine Analyse einer möglichen Abwärmenutzung.

Eine Besonderheit stellt die Möglichkeit dar, ein stapelspezifisches Degradationsverhalten über mehrere Jahre zu simulieren, um den Einfluss auf die Wirtschaftlichkeit des Systems ermitteln zu können.

Eine Besonderheit von H₂ProSim ist ein integrierter Optimierungsalgorithmus für die erstellten Systemmodelle, mit dem Konzepte zur technisch-wirtschaftlichen Anlagenoptimierung entwickelt werden können. Dazu werden mit Hilfe eines genetischen Algorithmus in einem iterativen Optimierungsprozess globale Extrema einer Zielgröße mit mehreren Einflussparametern identifiziert, indem ausgewählte Parameter des Simulationsmodells (z. B. installierte Windleistung, installierte Elektrolyseleistung, Speichervolumen) auf Basis einer Suchheuristik variiert werden. Typische Zielgrößen solcher Optimierungen sind z. B. die Minimierung der Wasserstofferzeugungskosten (LCOH - Levelized Cost of Hydrogen) oder auch die Maximierung der Wasserstoffproduktionsmenge. Es können aber auch weitere technische oder wirtschaftliche Zielgrößen in der Optimierung bestimmt werden. Ebenfalls ist eine Mehrzieloptimierung zur Ermittlung von Kompromissen zwischen zwei Zielgrößen (z. B. Kosten und Menge) möglich.

Mit H₂ProSim können komplette Wasserstoff-Versorgungsketten für beliebige Standorte bewertet werden. Dies umfasst die Wasserstofferzeugung mit erneuerbaren Energien, die Zwischenspeicherung des Wasserstoffs, die anschließende Verflüssigung/Verdichtung des Wasserstoffs oder seine Umwandlung in synthetische Energieträger (z. B. Ammoniak, Methanol, DME) sowie den Transport der Produkte zum Kunden. Dieser kann per Schiff, Bahn, Trailer oder bei gasförmigem Wasserstoff per Pipeline erfolgen.

Die gesamte Prozesskette wird in H₂ProSim technisch modelliert, zeitaufgelöst simuliert und abschließend über ein Kostenmodell ökonomisch abgebildet. Das Kostenmodell berücksichtigt die Investitions- und Betriebskosten der einzelnen Systemkomponenten und ermittelt daraus die Produktgestehungskosten. Integrierte Funktionen ermöglichen die Identifikation von Kostentreibern sowie die Durchführung von Sensitivitätsanalysen. Die wirtschaftlichen Parameter werden aus einer Datenbank entnommen, die Herstellerdaten und Literaturwerte enthält. Darüber hinaus werden eigene Kostenmodelle verwendet. 

Die auf H₂ProSim basierende Modellierungsumgebung HYSCOPE® (HYdrogen Supply Chain OPtimization Engine) dient der räumlich aufgelösten Betrachtung von regionalen Wasserstoffversorgungsketten. Dies ermöglicht eine simultane Optimierung von Größe, Standort und Betrieb aller relevanten Anlagen in einer Region. Dabei werden verschiedene Optionen für den Wasserstofftransport auf Basis der lokalen Infrastruktur, wie Gas-, Straßen- und Schienennetz, analysiert.

Die Stärken von H₂ProSim, wie beispielsweise simulationsbasierte dynamische Optimierung und der hohe technische Detailgrad auf Basis realer Projekt- und Anlagenerfahrung stehen auch in HYSCOPE® zur Verfügung. Die Lösbarkeit der komplexen Fragestellungen in der zusätzlichen räumlichen Dimension wird durch effizientes räumliches Clustering und dem State-of-the-Art-Algorithmus CMA-ES für nichtlineare Optimierung sichergestellt.

Weitere Details zu HYSCOPE® finden sich in den weiter unten verlinkten peer-reviewten Veröffentlichungen und der Webinar-Aufzeichnung.