Forschungsvereinigung Stahlanwendung e. V. (FOSTA)
Forschungsvereinigung Schiffbau und Meerestechnik e.V. (FSM)
Gesellschaft für Chemische Technik und Biotechnologie e.V. (DECHEMA)
M.Sc. Patrick Zimmerman, Dipl.-Ing. Ralf Fiedler, Prof. Dr.-Ing. Carlos Jahn
Fraunhofer-Center für Maritime Logistik und Dienstleistugen CML
M.Sc. Leonhard Sattler, Dr.-Ing. Stefan Schmidt, Prof. Dr.-Ing. Wilko Flügge
Fraunhofer-Institut für Großstrukturen in der Produktionstechnik IGP
Das IGF-Vorhaben 38 LBG der Forschungsvereinigung Stahlanwendung e.V. (FOSTA) wurde im Rahmen des Programms Industrielle Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des deutschen Bundestages gefördert.
Der Bericht kann bei der FOSTA (FOSTA-Berichte – Matplus Shop) oder beim FSM (info(at)fsm-net.org) bestellt werden.
Kurzzusammenfassung
Industrielle Großverbraucher aus der Roheisenproduktion oder der Chemiebranche können einen erheblichen Teil ihrer CO2-Emissionen durch die Substitution fossiler Energieträger mit Wasserstoff eliminieren. Die Umstellung der bisherigen Herstellungsprozesse der Stahlwerke von der Hochofenroute auf die Direktreduktion erfordert dabei grünen Wasserstoff in großen Mengen. Die Wasserstoffversorgung im großen Maßstab stellt hierbei laut Stand der Technik ein unbekanntes Feld für alle an diesem Vorhaben beteiligten Parteien (Produzent, Lieferant, etc.) dar. Zusätzlich bilden verschiedene Hochlaufszenarien sowohl bereitstellungs- als auch verbraucherseitig weitere Unsicherheiten. In diesem Forschungsprojekt werden somit logistische Betrachtungen der Transportketten, durchgeführt vom Fraunhofer CML, und für eine realitätsnahe Abbildung der Szenarien, Implementierungen von Verlustgrößen notwendig, welche angesichts des flüchtigen Wasserstoffes und der hohen Transportmengen einen bedeutsamen Einfluss auf die Logistik haben. Das Fraunhofer IGP entwickelt daher anhand der Datengrundlage und Anwendbarkeit Simulationsmodelle der unterschiedlichen Verlustmechanismen. Der Transport von Wasserstoff in Mengen, wie sie die Roheisenherstellung oder die Chemieindustrie benötigen, muss über Pipelines abgedeckt werden. Für die kapazitative Auslegung wurde in dem Projekt ein Tool entwickelt, dass für die Dimensionierung von Pipelines genutzt werden kann. Es berücksichtigt Materialeigenschaften, ökonomische und Bau-spezifische Faktoren bei der Auslegung von Pipelines. Weiterhin ist anzunehmen, dass die großen H2-Verbraucher eine Hochlaufphase durchlaufen werden. In diesen Hochlaufphasen können konventionelle Verkehrsträger wie Lkw, Güterzüge oder Binnenschiffe eingesetzt werden. Um deren Leistungsfähigkeit vor dem Hintergrund der spezifischen Energie- und Ladungsverluste zu bewerten, wurde ein Modell für die Simulation von Logistikkonzepten für die Versorgung von H2-Verbrauchern entwickelt. Eine Simulation eines Usecases zeigte auf, dass besonders beim Transport von LH2 die Energie- und Ladungsverluste eine Rolle bei der wirtschaftlichen Wahl des Verkehrsmittels spielen. Die Erarbeitung von Verlustgrößen orientiert sich an der zugrundeliegenden Datengrundlage. Sofern für das jeweilige Transportkettenelement der recherchierte Verlustdatensatz als ausreichend bewertet wird, ist dieser einer daran angelehnten Modellbildung vorzuziehen, um Simulationstiefen im sinnvollen Rahmen zu halten. Bei einem Datenmangel absoluter Verluste ist alternativ ein Modell numerischen oder analytischen Ansatzes aufzubauen. Sollte für ein Transportkettenelement ein großer Datenmangel bestehen, wird eine Verlustannahme getroffen. Für alle drei Lösungsansätze gilt das Berücksichtigen globaler Einflussparameter. Unter Einbringung adäquater Verlustgrößen in Form einer Programmschnittstelle wurden erste holistische Logistik-Simulationsmodelle entwickelt, verifiziert und validiert. Weitere Usecases von KMU können simuliert werden. Das Ziel des Forschungsvorhabens wurde erreicht.
