Zur Erreichung der Klimaschutzziele ist eine CO2-neutrale und nachhaltige Wasserstoffproduktion entscheidend. Daher ist es wichtig, die Herkunft des Wasserstoffs klar zu benennen. Wasserstoff wird abhängig von seiner Herkunft und CO2-Bilanz als grau, blau, türkis oder grün bezeichnet. Heute wird noch etwa 90 Prozent des Wasserstoffs aus fossilen Energieträgern, meistens aus Erdgas, hergestellt und als grauer Wasserstoff betitelt. Wird das dabei entstehende CO2 abgeschieden und beispielsweise unter der Erde gespeichert, spricht man von blauem Wasserstoff. Türkiser Wasserstoff wird ebenfalls als Alternative gehandelt. Bei seiner Herstellung, etwa aus Methan, entsteht kein CO2, sondern fester Kohlenstoff, der vielseitig einsetzbar ist.

Eine nachhaltige und klimaschützende Eigenschaft hat nur "grüner" Wasserstoff, der mit Hilfe von Strom aus erneuerbaren Quellen wie Windkraftanlagen und Photovoltaik gewonnen wird. Die Wasser-Elektrolyse ist dabei die Schlüsseltechnologie. Mit ihr gelingt nicht nur die Wasserstoff-Erzeugung aus Wasser und elektrischem Strom, sondern sie hilft auch Schwankungen in der Versorgung mit regenerativen Stromquellen auszugleichen, die erneuerbare Energie zu speichern oder in andere Energiesektoren zu transferieren. Die meisten Energiewandler erzeugen aus Solarstrahlung, Wind, Laufwasser und Wellenenergie im ersten Schritt elektrische Energie. Das Angebot dieser erneuerbaren Energien ist jedoch tageszeit-, jahreszeit- und wetterabhängig. Zum Ausgleich dieser Schwankungen ist deshalb eine elektrische Energiespeicherung notwendig. 

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Ansprechpartner

Dipl.-Ing. Tonja Marquard-Möllenstedt
+49 711 78 70-285

Ansprechpartner

Dipl.-Ing. Andreas Brinner
+49 711 78 70-338
Link zur Projektwebseite BW Elektrolyse
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Das Thema Elektrolyse bildet einen wichtigen Schwerpunkt der ZSW-Forschung. Mit unserem Engineering- und System-Know-how haben wir bereits verschiedene Elektrolyseanlagen bis in die Megawatt-Leistungsklasse am ZSW errichtet und beraten Industriekunden vom Basic Engineering bis zur Inbetriebsetzung kommerzieller Anlagen wie auch beim anschließenden Technologiemonitoring.

Elektrolysetechnik

// 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 selbst entwickelte Gesamtsysteme mit bis zu 1 MWel betrieben.

Blockentwicklung

// 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.

Gemeinsam mit Forschungs- und Industriepartnern arbeitet das ZSW auch an Produktionsverfahren und Fertigungstechnologien für eine Serienfertigung von Elektrolyseblöcken.

Systementwicklung

// Elektrolyse-Systementwicklung

Grüner Wasserstoff ist ein wichtiger Baustein für die Energiewende. Der klimafreundliche Energieträger wird mit Hilfe der Wasser-Elektrolyse aus Ökostrom erzeugt. Im Projekt „Elektrolyse Made in Baden-Württemberg“ steht die Industrialisierung der Elektrolysetechnik und die Sicherstellung der internationalen Wettbewerbsfähigkeit für mittelständische Unternehmen aus Baden-Württemberg im Vordergrund. Das Herzstück ist ein Elektrolyse-Demonstrators, der am 2. August 2022 von Wirtschaftsministerin Dr. Nicole Hoffmeister-Kraut in Betrieb genommen wurde. Das Wirtschaftsministerium Baden-Württemberg fördert das vom ZSW koordinierte Projekt „BW Elektrolyse“ mit insgesamt fünf Millionen Euro.

Der alkalische Druck-Elektrolyseur mit einer elektrischen Leistung von rund einem Megawatt wurde modular konzipiert werden, so dass die Technologie künftig aufbauend auf dieser kleinsten Einheit auf einfache Weise in größere, zweistellige Megawatt-Leistungsklassen skaliert werden kann. Über 40 Unternehmen aus Baden-Württemberg haben serientaugliche verfahrens- und elektrotechnische Komponenten (z.B. Verrohrung, Pumpen, Ventiltechnik, Leistungselektronik) und Fertigungstechnologien in den Demonstrator eingebracht. Gemeinsam mit den Unternehmen soll der Markthochlauf der Zukunftstechnologie Elektrolyse beschleunigt werden.

Bei dem Systemdemonstrator „Made in Baden Württemberg“ handelt es sich um eine vom ZSW entwickelte Alkalische Druckelektrolysetechnologie (30 bar) mit einer elektrischen Anschlussleistung von einem Megawatt und einer Produktionskapazität von etwa 20 Kilogramm Wasserstoff pro Stunde. Das reicht für die Betankung von täglich etwa 80 Brennstoffzellen-PKW, 20 Brennstoffzellen-Bussen oder Brennstoffzellen-LKW und bedeutet eine jährliche Produktionskapazität von bis zu etwa 170 Tonnen Wasserstoff.

Das System ist in einem Baukastensystem modular konzipiert, sodass die Technologie auch in größere Leistungsklassen skaliert und flexibel an unterschiedliche Kundenanforderungen oder Standortgegebenheiten angepasst werden kann.

Neben der Industrialisierung der Systemtechnik wurde insbesondere an der Weiterentwicklung der ZSW-patentierten Elektrolysestack-Technologie, dem Herzstück der Anlage, gearbeitet, um die Effizienz des Elektrolyseprozesses weiter zu erhöhen und die Herstellungskosten für grünen Wasserstoff zu senken.

In der System- und Anlagenentwicklung zur elektrolytischen Wasserstofferzeugung verfügt das ZSW über langjährige Expertise. Bereits mit der Entwicklung einer 1-Mega-Watt alkalischen Druckelektrolyseanlage und eigenem Blockkonzept im Rahmen des vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie geförderten Projekts P2G-Elektrolyse hat sich das ZSW eine umfangreiche Kompetenz in der Konzeption, Realisierung, Zulassung und Zertifizierung  von alkalischen Elektrolyseanlagen erarbeitet. Inzwischen ist das Portfolio groß: Wir realisieren Elektrolyseprüfstände in verschiedenen Leistungsklassen, die alle mit der notwendigen Regel-, Steuer-, Sicherheits-Einrichtungen und Versorgungssystemen zur Abgabe von Wasserstoff ausgestattet sind. In Testständen von ca. 1 bis 10 kW erfolgt die Untersuchung der Elektrolyseblockkomponenten und neuer Blockkonzepte im Versuchssystem. Im Maßstab 100 – 1000 kW wird die Anlage in einen Container integriert und ist so auch für die Aufstellung an neuen Standorten geeignet. Das ZSW hat entsprechende Anlagen sowohl für eigene Forschungszwecke als auch für Unternehmen konzipiert und gebaut. Ein Beispiel ist das Leuchtturmprojekt „Power-to-Gas Baden-Württemberg (PtG-BW)“.  Im südbadischen Grenzach-Wyhlen wurde eine Elektrolyse-Referenzanlage für Wasserstoff (H2) geschaffen.

Testfeld Elektrolyse / ElyLab

// 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.

 

// ElyLab (Elektrolyselabor)

Logo Elektrolyselabor ElyLab

Für den Markthochlauf von Elektrolyseuren müssen Test- und Prüfkapazitäten sowie Beratungsangebote für die Industrie auf Hersteller- und Anwenderseite geschaffen werden. Mit dem Projekt „ElyLab“ (Elektrolyselabor) wird das erste technologieübergreifende Test- und Innovationszentrum für die Wasser-Elektrolyse in Deutschland errichtet. Ziel ist es, Elektrolyseure unter möglichst realen Betriebsbedingungen in verschiedenen Größenklassen zu testen, um die Ergebnisse dann in die technisch relevanten Leistungsklassen zu überführen. Im Fokus der Untersuchungen stehen dabei die Leistungsfähigkeit unter verschiedenen Betriebsbedingungen sowie die Lebensdauer unter definierten Belastungen.

Damit soll der Markthochlauf der Elektrolyse-Technologie beschleunigt werden. Errichtet wird „ElyLab“ gemeinsam mit dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR). Die Partner wollen verstärkt an der Entwicklung standardisierter Testverfahren arbeiten, um Herstellern und Anwendern einen Qualitätsbenchmark bieten zu können.

Das ZSW baut dafür seine Testinfrastruktur am Standort in Stuttgart weiter aus. Das Forschungsinstitut fokussiert sich in dem Projekt „ElyLab“ vor allem auf die Alkalische Elektrolyse. Die zentrale Herausforderung bei der elektrolytischen Wasserstoff-Erzeugung liegen in der Realisierung eines hohen elektrischen Wirkungsgrads sowie dem Einsatz von nachhaltigen und kostengünstigen Materialien. Wichtige F&E-Aufgaben sind daher die Charakterisierung von katalytisch aktiven Beschichtungen sowie die Erprobung innovativer Materialien (z.B. Zellrahmen, Dichtungen oder Membranen). ElyLab wird einen entscheidenden Impuls für alle Technologien zur Wasserstoffgewinnung setzen und die Industrie mit neutralen Bewertungen von der Materialanalyse bis hin zur Systemerprobung im Megawatt-Maßstab unterstützen.

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