// Elektrolytische Wasserstofferzeugung aus Wasser

Die meisten Energiewandler erzeugen aus Solarstrahlung, Wind, Laufwasser und Wellenenergie im ersten Schritt elektrische Energie. Das Angebot dieser erneuerbaren Energien ist tageszeit- und wetterabhängig. Zur unabhängigen Energieversorgung von Verbrauchern ist deshalb eine elektrische Energiespeicherung notwendig. Für die längerfristige Zwischenspeicherung großer Energiemengen ist ein chemischer Energieträger wie gasförmiger Wasserstoff, der sich einfach und hoch effizient erzeugen und handhaben lässt, die erste Wahl. Eine bewährte, sichere und effiziente Technologie zur Erzeugung von Wasserstoff stellt die Elektrolyse dar.

Ansprechpartner

Dipl.-Ing. Andreas Brinner
+49 711 78 70-338
Elektrolysetechnik

Bei der elektrochemischen Wasserspaltung wird über die beiden Elektroden, Kathode und Anode, elektrische Energie in Wasser eingeleitet und dieses dadurch in seine zwei gasförmigen Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff aufgespaltet. Die beiden Gase werden separat aufgefangen und gereinigt. Es muss nur der Wasserstoff gespeichert und ggf. transportiert werden, da bei der Energie-Rückgewinnung der Wasserstoff mit Luft-Sauerstoff wieder zu Wasser rekombiniert werden kann. Wasserstoff ist gasförmig beliebig lange speicherbar. Da Wasserstoff sowohl als chemischer Rohstoff in vielen Prozessen weltweit genutzt als auch als Energie-Zwischenspeicher, z.B. als Kraftstoff für Wasserstoff-Fahrzeuge, eingesetzt wird, gibt es jahrzehntelange Erfahrung im sicheren Umgang mit und der Nutzung von Wasserstoff. Es gibt verschiedene Elektrolyseprinzipien, wie die alkalische Elektrolyse (Abk.: AEL), die wässrige Kalilauge als stromleitendes Medium nutzt, die Polymer-Elektrolyt-Membran-Elektrolyse (Abk.: PEM-EL), die eine elektrisch leitende Membranfolie zwischen den Elektrodenschichten beinhaltet, die Hochtemperaturelektrolyse (Abk.: SOEL), die eine bei hoher Temperatur leitfähige Keramikfolie zwischen den Elektroden enthält und auch verschiedene weitere Varianten dieser drei Grundtechnologien.

Im Bereich der Elektrolyse arbeitet das ZSW auf verschiedenen Gebieten der Elektrolysetechnik.

Das ZSW erforscht und entwickelt intensiv die Technologie der alkalischen Elektrolyse von der Elektroden-, Elektrolyseblock- und Anlagenentwicklung bis zum Bau und Betrieb von Forschungs- und Demonstrationsanlagen. Der Leistungsbereich beginnt bei wenigen Kilowatt für Forschungs- und Testsysteme und reicht bis in den unteren Megawatt-Maßstab für Demonstrationsanlagen. Je nach Anwendungszweck oder Kostenvorgaben werden sowohl drucklose Systeme als auch Druckelektrolyseure entwickelt und gebaut.

Das Fachgebiet REG konzeptioniert und entwickelt Wasserstoff-Erzeugungsanlagen: Gesamtanlagen inklusive aller Nebenaggregate vom elektrischen Anschluss bis zur Abgabe von Wasserstoff an den Nutzer auf der Basis von AEL- und PEM-Elektrolyseuren. Die Wissenschaftler und Ingenieure entwickeln Aufstellungs-, Sicherheits- und Betriebskonzepte für Wasserstoffanlagen und unterstützen ihre Partner bei der Realisierung.

Mit hausinternen AEL-Testanlagen kann das ZSW auch Fremdentwicklungen von Elektroden, elektrochemischen Beschichtungen, Elektrolyseblöcken und anderen Systemkomponenten testen und vermessen. Dazu sind alkalische drucklose und Druck-Elektrolysetestsysteme im Leistungsbereich 1, 10 oder 100 kWel sowie im atmosphärischen als auch im Druckbetrieb bis 40 bar vorhanden. Zusätzlich werden zugekaufte und selbst gebaute Demonstrationsanlagen mit 0,3 bzw. 0,5 MWel betrieben.

AEL-Druckteststand_April 2020
AEL-Druckelektrolyse Teststand am ZSW
Elektrolyse-Blockentwicklung

Die Entwicklung der Blockkonzepte am ZSW berücksichtigt die gesamte Prozesskette vom Prototyp bis hin zu einem in Serienfertigung herstellbaren Elektrolyseblock. Der Elektrolyseblock ist die zentrale Komponente einer Elektrolyseanlage. Seit 2011 werden alkalische Elektrolyseblocktechnologien am ZSW entwickelt. Ein alkalischer Elektrolyseblock besteht aus einer Vielzahl von Zellen, die über Verteilstrukturen in den einzelnen Zellrahmen mit Kalilauge versorgt werden und die entstehenden Gase über Sammelkanäle abführt. In jeder Zelle entstehen durch eine Membran getrennt sowohl Wasserstoff als auch Sauerstoff. Die sichere Abdichtung der Gase zueinander ist neben der homogenen Elektrolytverteilung und der Integration von Membran bzw. Elektrodenpackage eine weitere konstruktive Herausforderung im Blockdesign. Zahlreiche anwendungsspezifische Anforderungen wie Druck, Temperatur, Herstellkosten, Lebensdauer etc. gehen in die Auslegung der einzelnen Blockkomponenten ein. 

Unterstützt von Computersimulationen (CAD) können verschiedene Gestaltungsmöglichkeiten evaluiert und zunächst erste Muster in kleinem Maßstab (100 cm²) umgesetzt werden. Aufgrund der umfangreichen Testumgebung am ZSW können Elektrolyseblöcke im Maßstab von etwa 100 - 6000 cm² betrieben und vermessen werden. Die Untersuchung einzelner Komponenten (Membran, Elektrodenbeschichtung) unter realen Bedingungen in bereits vorhandenen Blocktechnologien ist aber ebenfalls möglich. Bisher sind insgesamt 3 unterschiedliche alkalische Elektrolyseblockkonzepte mit aktiven Flächen von 100 cm²,1.500 cm² und 2.700 cm² für den atmosphärischen und den Druckbetrieb bis 40 bar entwickelt worden.

Aufbau des am ZSW entwickelten alkalischen Druckelektrolyseblocks
20-zelliger ZSW Elektrolyse-Versuchsblock
Systementwicklung

Die System- und Anlagenentwicklung zur elektrolytischen Wasserstofferzeugung ist ein zentrales REG-Thema. Beginnend im Jahr 2012 mit der Entwicklung einer 1MW alkalischen Druckelektrolyseanlage und eigenem Blockkonzept im Rahmen des BMWi-geförderten Projekts P2G-Elektrolyse (FKZ 0325524) hat sich das ZSW eine umfangreiche Kompetenz in der Konzeption, Umsetzungsplanung, Realisierung, Zulassung, Zertifizierung und Betrieb von alkalischen Elektrolyseanlagen erarbeitet. Vom einfachen alkalischen Elektrolysesystem für die Innenaufstellung, das im 1-10 kWel-Maßstab als Versuchssystem für die Blockentwicklung genutzt wird, bis zur containerisierten Druckelektrolyseanlage mit allen notwendigen Regel-/ Steuer-/ Sicherheits-Einrichtungen und Versorgungs-Hilfssystemen zur Abgabe von Wasserstoff an einen Nutzer für die Außenaufstellung wurden entsprechende Anlagen für die Eigennutzung konzipiert und gebaut, bzw. für Kunden nach spezifischen Vorgaben mit entsprechenden Fachfirmen umgesetzt. Die Bau- und Inbetriebnahme-Überwachung von Fremdanlagen gehört ebenfalls zur Systemkompetenz des ZSW. Zur Anlagenkonzeption gehört selbstverständlich auch Konzept und Auslegung eines angepassten Gestell-Systems oder Aufbaucontainers inklusive aller notwendigen externen Anschlüsse, Zugangs- und Einbau-Öffnungen. In Absprache mit einem Fachhersteller wurden solche Einhausungskonzepte erfolgreich für den Eigenbedarf oder für Kundenaufbauten umgesetzt.

Testfeld Elektrolyse

Die zentrale Herausforderung bei der elektrolytischen Wasserstoff-Erzeugung stellt die Realisierung eines hohen elektrischen Wirkungsgrades sowie der Einsatz robuster, kostengünstiger Materialien dar. Wichtige F&E-Aufgaben sind daher die Charakterisierung von katalytisch aktiven Beschichtungen sowie die Erprobung innovativer Materialien (z.B. Zellrahmen, Dichtungen oder Membranen).

Ziel dabei ist es, Forschungsergebnisse und Innovationen unter möglichst realen Betriebsbedingungen in verschiedenen Größenklassen zu untersuchen, um die Ergebnisse dann in die technisch relevanten Leistungsklassen überführen zu können. Im Fokus der Untersuchungen stehen dabei die Leistungsfähigkeit unter verschiedenen Betriebsbedingungen sowie die Lebensdauer unter definierten Belastungen.

Das Fachgebiet REG arbeitet seit 2011 intensiv an der Entwicklung und Nutzung von alkalischen Elektrolyseblöcken und Elektrolysesystemen. Im mehreren Verbundprojekten (u.a. P2G-Elektrolyse, QUAREE100, ecoPtG) wurden für die Entwicklung und Erprobung von Prototypen und Demonstrationsblöcken (z.B. ZSW-eigene, alkalische Block-Technologie mit 2.700 cm² Elektrodenfläche, 300 kWel) Teststände aufgebaut und betrieben.

Am ZSW ist in den vergangenen Jahren ein umfangreiches Testfeld entstanden, welches die umfassende Charakterisierung und Untersuchung von Materialien für die alkalische Elektrolyse (z.B. Beschichtungen bzw. Elektroden, Membranen) bis hin zu kompletten Elektrolyseblöcken ermöglicht. Für die verschiedenen Untersuchungen stehen verschiedene Teststände in verschiedenen Leistungsklassen zur Verfügung.

Ausstattung:

  • Potentiostat zur Untersuchung von kathodischen oder anodischen beschichteten Einzelelektroden
  • Teststand für die Untersuchung von Elektroden und Membranen mit einer aktiven Zellfläche von 100 cm² (Blöcke mit bis zu 20 Zellen, Stromdichte bis 1200 mA/cm², Druck bis 16 bar, Temperatur bis 70°C)
  • Teststand für die Untersuchung von Elektrolyseblöcken mit einer aktiven Zellfläche bis zu 1500 cm² (Blöcke mit bis zu 10 Zellen, Stromdichte bis zu 400 mA/cm², Druck atmosphärisch, Temperatur bis 80°C)
  • Teststand für die Untersuchung von Elektrolyseblöcken mit einer aktiven Zellfläche bis zu 6000 cm² (Blöcke mit bis zu 20 Zellen, Stromdichte bis zu 830 mA/cm², Druck bis 16 bar, Temperatur bis 80°C)
  • Container-Anlage für die Untersuchung von Elektrolyseblöcken mit einer aktiven Zellfläche bis zu 3000 cm² (Blöcke mit bis zu 150 Zellen, Stromdichte bis zu 600 mA/cm², Druck 16 bar, Temperatur bis 80°C)
Teststand für die Untersuchung von alkalischen Druckelektrolyseblöcken.