Auslegung von Betankungsprozessen für wasserstoffbetriebene Schienenfahrzeuge durch CFD- und Systemsimulationen

Kurzfassung

Kurzfassung

Wasserstoffbetriebene Schienenfahrzeuge erfordern Betankungsprozesse, die sicherheitskritische Grenzwerte für Temperatur, Druck und Füllstand einhalten müssen. Für diese Fahrzeugklasse existieren bislang keine standardisierten Betankungsprotokolle, weshalb die Auslegung derzeit fahrzeugindividuell und mit hohem Aufwand erfolgt. Ziel dieser Arbeit ist die Automatisierung dieses Auslegungsprozesses. Hierzu wurde ein Python-Tool entwickelt, das bestehende 0D/1D-Simulationen mit ergänzenden CFD-Simulationen verknüpft. Zudem automatisiert es die Durchführung der Simulationen über einen definierten Parameterraum und leitet aus den Ergebnissen, unter Anwendung von Sicherheitsbeiwerten, Betankungsprotokoll ab. Die Ergebnisse zeigen, dass der Anstieg der Druckvorgabe maßgeblich von Umgebungs- und Vorkühltemperatur sowie vom Anfangsdruck abhängt. Die CFD-Simulation ergab, dass während der Betankung ein lokaler Hotspot im hinteren Tankbereich entsteht, der in der gemittelten 0D/1D-Simulation prinzipbedingt unsichtbar bleibt. Die Arbeit zeigt, dass sich die Auslegung von Betankungsvorgängen für WasserstoffSchienenfahrzeuge grundsätzlich automatisieren lässt. Eine experimentelle Validierung der CFD-Ergebnisse steht noch aus und stellt den wesentlichen nächsten Schritt dar.

Abstract

Hydrogen-powered rail vehicles require refuelling processes need to comply with safety-critical limits for temperature, pressure and state of charge. For this vehicle class, no publicly available standardised refuelling protocols exist, so the design is currently carried out individually for each vehicle and with considerable effort. This thesis aims to automate this design process. For this purpose, a Python tool was developed that links existing 0D/1D simulations with complementary CFD simulations, controls them automatically across a defined parameter space and derives a refuelling protocol by applying safety factors. The results show that the critical pressure ramp rate depends heavily on the ambient and pre-cooling temperatures as well as on the initial pressure. The CFD Simulation resolves a local hotspot in the rear region of the tank which, by its nature, remains invisible in the averaged 0D/1D simulation. The thesis demonstrates that the design of refuelling processes for hydrogenpowered rail vehicles can, in principle, be automated. An experimental validation of the CFD results remains outstanding and constitutes the essential next step.