Fraunhofer-Institut für WindenergiesystemeAuf einen Blick
- Mit grünem Strom erzeugter Wasserstoff soll in Zukunft einen relevanten Teil der Energieversorgung in der EU liefern.
- Um Elektrolyseure im erforderlichen industriellen Maßstab betreiben zu können, sind allerdings noch Herausforderungen zu lösen, beispielsweise die begrenzte Lebensdauer der Stacks oder die Gewährleistung eines zuverlässigen Elektrolyseur-Betriebs bei schwankender Energiezufuhr.
- Im Clean Hydrogen Partnership EU-Projekt DELYCIOUS entwickeln die Partner durch die einzigartige Kombination von fortschrittlichen Diagnosetechniken, der elektrochemischen Impedanzspektroskopie (EIS) und der Raman Spektroskopie, eine skalierbare und universelle Methode der Zustandsüberwachung für Elektrolyseure.
- Die Integration der Messdaten aus der Zustandsüberwachung in ein Elektrolyseur-Managementsystem (EMS), ermöglicht einen effizienten und sicheren Betrieb.
- Das projektkoordinierende Fraunhofer IWES ist unter anderem für die Validierung des EMS im industrierelevanten Maßstab verantwortlich.
Herausforderung
Wasserstoff, erzeugt mit grünem Strom, soll im Energiesystem eines klimaneutralen Europas eine strategisch wichtige Rolle als Brennstoff und Energiespeicher spielen. Bis 2050 könnte er laut Net Zero Act 20 Prozent des Energiemixes der EU ausmachen. Um dieses Ziel zu erreichen, ist ein groß angelegter Einsatz von Elektrolyseuren notwendig.
Derzeit sind vor allem drei Elektrolyse-Technologien verbreitet: die alkalische Wasserelektrolyse (AEL), die Protonenaustauschmembran-Elektrolyse (PEMEL) und die Festoxid-Elektrolyse (SOEL). Allerdings: Um sie industriell in großem Maßstab einzusetzen, sind unabhängig vor der jeweiligen Technologie noch Herausforderungen zu lösen. Dazu zählen die begrenzte Lebensdauer der Stacks, das Fehlen von zuverlässigen Methoden der Zustandsüberwachung für die Vorhersage optimaler Betriebspunkte oder die Gewährleistung eines zuverlässigen Betriebs bei schwankender Energiezufuhr. Zudem sind die Betriebskosten für Elektrolyseure noch hoch.
Lösung
Im Clean Hydrogen Partnership EU-Projekt DELYCIOUS wollen die Projektpartner diese Herausforderungen bewältigen. Ziel ist es, experimentelle Technologien, die elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) und die Raman Spektroskopie, mit Modellierungsansätzen zu kombinieren, um dadurch Degradationsparameter der Elektrolyse zugänglich zu machen. Die Erkenntnisse der Alterungsvorgänge werden in ein Elektrolyseur-Managementsystem integriert, das eine verbesserte Lebensdauer und Zuverlässigkeit der Anlagen ermöglicht.
Als Grundlage des EMS entwerfen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler Hard- und Software, die universal anwendbar ist und für alle drei Elektrolyse-Technologien im Labormaßstab (alkalisch, PEM und Festoxid) validiert wird. Für die am weitesten verbreitete AEL-Technologie werden die Messtechnik und das EMS in eine Demonstrationsanlage mit einem Elektrolyseur integriert, um die Methode in größerem Maßstab zu validieren (TRL 6). Am Ende steht nicht nur eine industriereife Lösung für die Zustandsüberwachung und den optimierten Betrieb der Elektrolyseure zur Verfügung, sondern darüber hinaus eine Roadmap, die das Erreichen der EU-Ziele unterstützt.
Das Fraunhofer IWES bringt als Projektkoordinator unter anderem seine Testinfrastruktur des Hydrogen Lab Leuna in das Projekt ein und verantwortet die Systemintegration der Messtechnik und Validierung des EMS im großen Maßstab. Daten und Simulationen von Windenergieanlagen des Fraunhofer IWES aus Bremerhaven bilden die Basis für eine an schwankende Energiezufuhr angepasste Betriebsführung des Elektrolyseurs.
Mehrwert
Der entscheidende Mehrwert von DELYCIOUS liegt in der signifikanten Senkung der Betriebskosten von Elektrolyseuren. Das EMS wird deren Zuverlässigkeit und Lebensdauer nachhaltig verbessern und damit die Investitionskosten und nicht zuletzt die Preise für Wasserstoff senken. Die Roadmap liefert darüber hinaus einen Fahrplan zur industriellen Umsetzung der EU-Ausbaupläne bis 2030 sowie eine Kostenabschätzung für die Jahre bis 2050. Damit leistet DELYCIOUS einen wichtigen Beitrag für das Erreichen der EU-Ziele im Bereich grüner Wasserstoff.
