Mathematische Optimierung der Betriebsweise einer Elektrolyse innerhalb eines Energiesystems
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Hintergrund: Angesichts des fortschreitenden globalen Klimawandels wird eine nachhaltige und klimafreundliche Energieversorgung immer dringlicher. Die Nutzung von Wasserstoff kann dabei helfen, diese Ziele zu erreichen, indem sie sektorübergreifende Möglichkeiten zur Defossilierung und Dekarbonisierung bietet.
Da sich die Wasserstoffwirtschaft noch in einem frühen Entwicklungsstadium befindet, besteht ein erheblicher Mangel an Erfahrungen in der Erzeugung und Nutzung von Wasserstoff sowie der Integration wasserstoffbasierter Energiesysteme in bestehende Energiesysteme. Neuartige Technologien wie die PEM-Elektrolyse ermöglichen es, die Wasserstofferzeugung dynamisch an die vorherrschenden Randbedingungen (z.B. Stromüberschüsse, Strompreise) anzupassen. Klassischerweise wird solch eine Betriebsweise mithilfe einer Energiesystemoptimierung berechnet, sodass eine möglichst kostengünstige Energieversorgung sichergestellt wird. Ein hoher Rechenaufwand begrenzt hierbei die Komplexität der zugrundeliegenden Modelle, sodass der Einfluss von Betriebsparametern wie Temperatur oder Druck oftmals vernachlässigt oder nur vereinfacht berücksichtigt wird. Somit können die vollen Integrationspotenziale einer Elektrolyse innerhalb eines dezentralen Energiesystems nicht ausgeschöpft werden.
Aufgaben: Vor diesem Hintergrund sollen in dieser Arbeit die Integrationspotenziale einer Elektrolyse innerhalb eines dezentralen Energiesystems untersucht werden. Dazu soll zunächst ein mathematisches Modell einer Elektrolyse inkl. klassischer Peripheriekomponenten entwickelt werden. Dieses soll anschließend in eine Energiesystemoptimierung eingebettet werden, um so einen optimalen Betrieb der Elektrolyse im Verbund weiterer Energiewandlungsanlagen zu berechnen. Daraufhin ergeben sich folgende Teilaufgaben:
- Literaturrecherche und Einarbeitung in die Themen Elektrolyse, Energiesystem- und Prozessoptimierung
- Entwicklung eines mathematischen Optimierungsmodelles einer Elektrolyse
- Entwicklung einer Methodik zur Integration der Betriebsoptimierung der Elektrolyse in eine bestehende Energiesystemoptimierung
- Anwendung der entwickelten Methodik anhand einer Fallstudie und Auswertung der Ergebnisse
Qualifikationen:
- Hohe Motivation und Eigeninitiative
- Wünschenswert: Gute Studienleistungen in den Bereichen der Mathematik, Thermodynamik und regenerative Energien
- Wünschenswert: Programmierkenntnisse in Python / Pyomo
- Wünschenswert: Kenntnisse im Bereich der mathematischen Optimierung