Elektrolyse für die effiziente Wasserstofferzeugung

Ein Schlüsselelement eines zukünftigen Energiesystems ist Wasserstoff, der aus erneuerbar erzeugter elektrischer Energie hergestellt wird. Dieser Wasserstoff kann gasförmig gespeichert oder aber noch weiter umgewandelt werden, ehe er als Rohstoff oder Energieträger genutzt wird.

Eine wichtige Forschungsfrage liegt darin, wie man möglichst viel Wasserstoff mit der via Photovoltaik oder Wind produzierten elektrischen Energie erzeugen kann. Hier konnten in den letzten Jahren deutliche Fortschritte, gegenüber kommerziell erhältlichen System erzielt werden, diese wurden aber fast ausschließlich im Labormaßstab nachgewiesen. Im Rahmen des Living Lab Projektes wird nun vom IEK-14 ein Zellstapel (Stack) mit einer Leistung von 400 kW aufgebaut, der besonders leistungsstark und effizient ist. Dazu wurden neue Herstellungsverfahren am Forschungszentrum erarbeitet und in den technischen Maßstab skaliert und derzeit erfolgen die Tests der so hergestellten Komponenten der nächsten Generation.

Der Zellstapel wird bei einer Temperatur von 80 °C betrieben und basiert auf der Polymerelektrolyt-Membrantechnik (PEM). Dabei kommen sehr dünne Membranen (ca. 50 µm) zum Einsatz, die an die Qualität der Elektroden und die gesamte Stackmechanik hohe Anforderungen stellen, die nur mit modernsten Herstelltechnologien erzielt werden können. Im Betrieb muss eine Beschädigung der Membran auch bei hohen Betriebsdrücken vermieden werden und eine homogene Qualität und gute Anbindung der wasserstoff- und sauerstofferzeugenden Elektroden erreicht werden. Die Lösungsansätze für die genannten Herausforderungen wurden in den letzten Jahren in zahlreichen wissenschaftlichen Projekten am Forschungszentrum erarbeitet und werden nun in den technisch relevanten Maßstab überführt.

Der neuartige Stack soll dann in eine derzeit im Aufbau befindliche Testplattform integriert werden. Dazu wurde ein neues Gebäude am IEK-14 errichtet, das derzeit mit der für den Betrieb notwendigen technischen Gebäudeausrüstung bestückt wird. Im Anschluss daran ist in den kommenden Monaten die Integration der verfahrenstechnischen Testplattform geplant.

Die Inbetriebnahme erfolgt mit einem vor mehreren Jahren entwickelten Zellstapel, um auf diese Art mögliche anfängliche Fehlfunktionen an der Testplattform ohne Beschädigung des neuartigen Zellstapels beheben zu können. Der Aufbau verzögert sich leider noch, da das Gebäude noch nicht ganz fertig ist. Es werden noch Arbeiten an der Heiz- und Lüftungstechnik durchgeführt und die Fertigstellung einer Wasserstoff-Abblasleitung steht noch aus.

Wenn Teststand und Stack betriebsbereit sind, erfolgt die Wasserstoff- und Sauerstofferzeugung im Rahmen des LLEC-Verbundes. Es können Untersuchungen zum dynamischen Verhalten und zur Interaktion mit den anderen Anlagen auf dem Campus erfolgen. Eine physikalische Einbindung der in der Anlage erzeugten Medien erfolgt über je eine Wasserstoff- und Sauerstoff-Pipeline von der Demonstrationsanlage zur Wärmevollversorgungszentrale (WVVZ) des Campus. Dort ist geplant den erzeugten Wasserstoff in Gasmotoren oder Wasserstoff und Sauerstoff in einem Brennstoffzellensystem zur bedarfsgerechten Strom- und Wärmeerzeugung zu nutzen.