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. 

Ansprechpartner

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

Ansprechpartner

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

Eine bewährte, sichere und effiziente Technologie zur Erzeugung von Wasserstoff stellt die Elektrolyse dar. 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

// Systementwicklung

 

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

// 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.

Diese Website verwendet Cookies und Drittinhalte

Auf unserer Website verwenden wir Cookies, die für die Darstellung der Website zwingend erforderlich sind. Mit Klick auf „Auswahl akzeptieren“ werden nur diese Cookies gesetzt. Andere Cookies und Inhalte von Drittanbietern (z.B. YouTube Videos oder Google Maps Karten), werden nur mit Ihrer Zustimmung durch Auswahl oder Klick auf „Alles akzeptieren“ gesetzt. Weitere Einzelheiten erfahren Sie in unserer Datenschutzerklärung, in der Sie Ihre Einwilligung jederzeit widerrufen können.