Wasserstoffsysteme

Am Fraunhofer IISB wurde in Zusammenarbeit mit Partnern eine weltweit einmalige Plattform zur Erforschung und Demonstration der Energiespeicherung in flüssigen organischen Wasserstoffträgern entwickelt und aufgebaut. Diese umfasst die komplette Kette von der Wasserstofferzeugung über PEM-Elektrolyse, der Wasserstoffspeicherung in einem flüssigen organischen Wasserstoffträger (LOHC) und der Rückverstromung von Wasserstoff in einer PEM-Brennstoffzelle. Das System ist über am Fraunhofer IISB entwickelte DC/DC-Wandler an das Gleichstrom (DC)-Netz des Instituts angebunden. Die LOHC-Technologie ermöglicht die sichere Speicherung von Wasserstoff in der ölartigen Trägerflüssigkeit, die unter Umgebungsbedingungen für Druck und Temperatur gelagert werden kann. In einem speziellen Reaktor, der am Lehrstuhl für Chemische Reaktionstechnik der Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) entwickelt und gebaut wurde, wird die Einspeicherung (Hydrierung) und Ausspeicherung von Wasserstoff (Dehydrierung) realisiert.

Der Forschungsschwerpunkt des Fraunhofer IISB liegt auf dem dynamischen Verbundbetrieb bei der Einspeicherung (Elektrolyse + Hydrierreaktion im Reaktor) und Ausspeicherung (Dehydrierreaktion + Brennstoffzelle) von elektrischer Energie. Die Ergebnisse zur Ausspeicherung elektrischer Energie lassen sich auf mögliche Anwendungen der LOHC-Technologie im mobilen Bereich (z.B. Züge, Schiffe) übertragen.

Am Fraunhofer IISB werden eigens entwickelte Simulationsmodelle genutzt, um Betriebsstrategien für hybride Wasserstoffsysteme zu entwickeln und die Komponenten anforderungsgerecht auszulegen.

In stationären Anwendungen können sogenannte multifunktionale Wasserstoffsysteme, die mit einem Batteriespeicher hybridisiert sind, verschiedene Systemdienstleistungen im dezentralen Energienetz übernehmen. Dazu zählen die Integration lokal erzeugter PV-Energie, die Bereitstellung einer unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV), sowie die Reduzierung von Lastspitzen. In Industriebetrieben mit Wasserstoffbedarf kann zudem die Eigenerzeugung von Wasserstoff per Elektrolyse relevant sein. Für die Bereitstellung der verschiedenen Systemdienstleistungen sind intelligente Betriebsstrategien erforderlich, die am Fraunhofer IISB auf Basis der Simulationsmodelle entwickelt werden. Die Auslegung und Betriebsstrategieentwicklung brennstoffzellenbasierter Antriebssysteme geschieht ebenfalls auf Basis von Simulationen. Die Simulationsmodelle ermöglichen weiterhin die Betrachtung innovativer Systeme mit Wasserstoffspeicherung in flüssigen organischen Wasserstoffträgern (LOHC).

Der eigens entwickelte Brennstoffzellenprüfstand am Fraunhofer IISB dient der Charakterisierung und Systemintegration von Brennstoffzellensystemen auf Basis der Proton-Exchange-Membrane (PEM)-Technologie. Mit Hilfe umfangreicher Mess- und Automatisierungstechnik können am Prüfstand detaillierte Teil- und Gesamtwirkungsgradanalysen auf Systemebene inkl. Peripherie durchgeführt werden. Ein Gasmisch- und -konditionierungssystem stellt präzise befeuchtete und temperierte Gasgemische aus Stickstoff und Wasserstoff in einem variablen Druckbereich zur Verfügung. An dem Prüfstand wurde weltweit erstmalig die Verstromung von wasserstoffhaltigem Abgas aus dem Epitaxieprozess in einer PEM-Brennstoffzelle demonstriert.

Weiterhin steht am Fraunhofer IISB ein Wasserstofflabor für den Test und die Systemintegration von Brennstoffzellen und Elektrolyseuren zur Verfügung.

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.