Simulation of a hydrogen fueling process

Abstract

Gaseous hydrogen is one of several alternatives to fossil-based vehicle fuels. In order to establish hydrogen as a competitive alternative, the price-performance ratio of already commercially available hydrogen refueling stations has to improve. At the same time, the customer’s further demands, such as convenient overall fueling time or flawless operational behavior, have to be met as well.Within the scope of this work, a simulation tool is created in MatLab-Simulink. A representative model of the plant is constructed in support of Simscape, an extension of Simulink, and its “gas domain” block components.The thermodynamic model, once executed, is able to predict a fueling station’s performance, which operates in accordance to SAE J2601. The resulting simulation data shall provide information on the plant’s overall thermodynamic behavior and its current weak points. An elaborate overview on basic fueling procedures and technologies is provided in the introductory chapters. The approach of building the model, its functioning and the workflow of the simulation environment are exemplified within the subsequent chapter.For testing the tool in its overall performance, two representative standard fueling scenarios are simulated. The plotted trends of various thermodynamic fueling parameters then serve as the material for subsequent analysis and discussion. Hence, a major finding is the heat exchanger’s improvable thermal conductivity between the “cooling source” and its aluminium layer.Additionally, two realistic cases of disturbance during operation are mimicked. The corresponding results offer suitable starting points for finding further room of improvement for the simulation tool, and also the superior plant design as well.

Gasförmig gespeicherter Wasserstoff ist eine von vielen zukunftsträchtigen Alternativen zu fossilen Fahrzeug-Treibstoffen. Um Wasserstoff als einen kompetitiven Treibstoff zu etablieren, muss das Preis-Leistungsverhältnis von bereits verfügbaren Wasserstoff-Tankstellen verbessert werden. Gleichzeitig dazu müssen auch zeitgemäße Forderungen des Fahrzeuglenkers, wie z.B. kurze Gesamtbetankungszeiten oder ein einwandfreies Betriebsverhalten der Tankstelle, erfüllt werden.Im Rahmen dieser Arbeit wird ein Simulationstool in MatLab-Simulink® programmiert. Ein Modell einer vorliegenden, bereits international eingesetzten Betankungsanlage wird mithilfe von Simscape – einer Erweiterung von Simulink – und in Simscape verfügbaren „Gas Domain“-Blockkomponenten erstellt.Das finalisierte und von einem Rechner ausführbare Simulink-Model ermöglicht Vorhersagen über das Betriebsverhalten der Betankungsanlage, welche auf Basis der internationalen Betankungsnorm SAE J2601 betankt. Die resultierenden Simulationsergebnisse sollen umfassende Aufschlüsse über das thermodynamische Verhalten die aktuellen Schwachpunkte der vorliegenden Anlage ermöglichen.Ein ausführlicher Überblick über die grundlegenden Betankungsverfahren und Betankungstechnologien wird in den einführenden Kapiteln dargeboten. Die Herangehensweise zur Modellentwicklung, die Arbeitsweise des Modells und der Workflow der Simulationsumgebung MatLab-Simulink® werden in den darauffolgenden Kapiteln erläutert.Zum Testen der erwarteten Funktionstüchtigkeit des Simulationstools werden zwei repräsentative Standard-Betankungsszenarien simuliert. Die resultierenden Profile verschiedener thermodynamischer Parameter dienen folglich als Daten-Ausgangsmaterial für eine Diskussion und Analyse der Simulationsergebnisse. Eine daraus gewonnene, zentrale Erkenntnis ist die verfeinerbare Wärmeleitfähigkeit des Wärmetauscher-Elementes zwischen der Kühlquelle-Blockkomponente und der Aluminium-Masse. Zusätzlich wurden zwei realistische Anlagen-Störfälle nachgeahmt. Die entsprechenden Simulationsergebnisse ergeben einen Ausgangspunkt an Daten und Erkenntnissen für mögliche Verbesserungen des Tools, als auch die übergeordnete Analgenkonzeption.