Gas-Strom-Kopplung

Allgemein

Der Themenkomplex Gas-Strom-Kopplung beschäftigt sich mit unterschiedlichen, vielversprechenden Feldern der Wasserstofftechnologie. Wasserstoff eignet sich aufgrund seiner hohen Energiedichte und der Möglichkeit zur emissionsfreien Energieversorgung als Energiespeicher und Energieträger der Zukunft. Gleichzeitig dient Wasserstoff als chemischer Grundstoff für zahlreiche industrielle Prozesse.

Ziel dieses Forschungsschwerpunktes ist die Untersuchung und Entwicklung von Brennstoffzellensystemen für die Verstromung von industriellen Wasserstoffabgasen sowie die lokale und emissionsfreie Wasserstofferzeugung. Zudem werden Simulationsmodelle entwickelt, um die komplette Gas-Strom-Kopplung auf der Systemebene abzubilden und anwendungsoptimierte Betriebsstrategien dafür entwickeln zu können.

Prüfstand für Komponenten der Wasserstofftechnologie

Wasserstoffteststand am IISB zur Charakterisierung und zum Betrieb unterschiedlicher Komponenten der Wasserstofftechnologie.

Der Prüfstand wurde vor allem zur Charakterisierung und Systemintegration von Brennstoffzellensystemen entwickelt, welche auf Basis der Proton-Exchange-Membrane (PEM)-Technik arbeiten. Aufgrund von umfangreicher Mess- und Automatisierungstechnik können hier detaillierte Teil- und Gesamtwirkungsgradanalysen auf Systemebene inkl. Peripherie durchgeführt werden. Für die Integration in ein Energiesystem sind ein speziell entwickelter DC/DC-Wandler und der Anschluss an ein DC-Netz verfügbar. Ein Gasmisch- und -konditionierungssystem stellt präzise befeuchtete und temperierte Gasgemische aus Stickstoff und Wasserstoff zur Verfügung. Zusammen mit einer umfassenden Sensorik für elektrische, thermische und fluide Größen können damit neben Brennstoffzellenstacks und –systemen auch Membranfilter sowie Niederdruckgaskompressoren für Wasserstoffbetrieb vollständig charakterisiert werden.

Verstromung von wasserstoffhaltigen Industrieabgase

Prinzip der Verstromung von wasserstoffreichen Abgasen au seiner Epitaxieanlage

Prototyp des weltweit einmaligen Verstromungssystems für wasserstoffreiche Industrieabgase

Das Herzstück des Verstromungssystems bildet eine Proton-Exchange-Membran (PEM)‑Brennstoffzelle. Durch Modifikationen ist das Brennstoffzellensystem in der Lage, Wasserstoffkonzentrationen zwischen 40 ‑ 100 Vol.‑% zu tolerieren. Zwischen Abgasstrang und Brennstoffzellensystem kommt ein spezieller Membrankompressor zum Einsatz. Dieser verdichtet das Abgas vor der Brennstoffzelle und entkoppelt damit Verstromung und Abgasquelle (z.B. Epitaxieanlage). Das Verstromungssystem hat dadurch keinerlei Rückwirkungen auf den Epitaxieprozess und die Prozessqualität sowie auf das Gasreinigungssystem der Anlagen. Das zum Patent angemeldete Verstromungssystem wurde bereits erfolgreich an der im Reinraumlabor am IISB betriebenen Epitaxieanlage getestet und erzielte einen elektrischen Gesamtwirkungsgrad von bis zu 25 %. Es sind weitere Entwicklungsstufen im Aufbau mit denen der Wirkungsgrad auf über 30 % gesteigert werden soll.

Entwicklung und Untersuchung von multifunktionalen Wasserstoffsystemen

Konzept des multifunktionalen Wasserstoffsystems

Wasserstoffsysteme mit Elektrolyseur und Brennstoffzelle eignen sich hervorragend als mittel- und langfristiger Speicher für große Energiemengen, weisen allerdings im Vergleich zu anderen Speichertechnologien hohe Investitionskosten und einen geringen Wirkungsgrad auf. Aus diesem Grund wird untersucht, welche zusätzlichen Systemdienstleistungen ein Wasserstoffsystem mit Batterieunterstützung in einem Industriebetrieb übernehmen kann. Im Fokus stehen dabei elektrische Systemdienstleistungen wie die unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV), die Lastspitzenreduzierung und die Integration lokal erzeugter PV-Energie. In Industriebetrieben mit Wasserstoffbedarf besteht zudem die Möglichkeit, externe Wasserstofflieferungen komplett oder teilweise durch selbst erzeugten (grünen) Wasserstoff zu ersetzen.

Um die Systemanforderungen zu erfüllen, ist die Umsetzung einer intelligenten Betriebsstrategie erforderlich. Zu diesem Zweck wurde ein neuer Ansatz zur zustandsbasierten Steuerung entwickelt. Den Komponenten Brennstoffzelle, Elektrolyseur und Batterie werden dabei Betriebszustände und Leistungssollwerte übermittelt, die sowohl aus Echtzeitdaten als auch aus prognostizierten Tagesverläufen für Last und Photovoltaikerzeugung abgeleitet werden. So wird z. B. die Batterie am Beginn des Tages vorausschauend geladen, wenn im Tagesverlauf eine Lastspitze zu erwarten ist. Auch werden mit Hilfe der prognostizierten Verläufe mögliche Betriebszeiträume für den Elektrolyseur vorausschauend ermittelt. Mittels eines umfangreichen Simulationsmodells können multifunktionale Wasserstoffsysteme für unterschiedliche Anwendungsfälle ausgelegt und geeignete Betriebsstrategien entwickelt werden.

Pyroelektrik

Nutzung der Niedertemperaturabwärme für die pyroelektrische Wasserstofferzeugung

BTO Einkristallpulver zur pyroelektrischen Wasserstofferzeugung.

Ein weiteres Augenmerk des Themenfeldes Gas-Strom-Kopplung liegt auf der Erforschung der Wasserstofferzeugung unter Nutzung des pyroelektrischen Effekts verschiedener Materialien. Dabei führt ein Temperaturwechsel zum Ausbilden einer Potentialdifferenz an den Kristallen, die analog der konventionellen Elektrolyse von Wasser zur Wasserstofferzeugung genutzt werden kann. Da nur ein geringer Wert des oberen Temperaturniveaus erforderlich ist, stellt vor allem die Nutzung von Niedertemperaturabwärme eine interessante Anwendung dar.

Im Rahmen des Projekts werden geeignete Materialien synthetisiert, ein Laboraufbau konzipiert und realisiert sowie Versuche zur Wasserstoffproduktion durchgeführt. Der Prozess wird über verschiedene Parameter weiter optimiert.