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HYPOS-Blog

Effizienz, Lebensdauer und Zuverlässigkeit im PEM-Elektrolysebetrieb

Grüner Wasserstoff ist ein wichtiger chemischer Energieträger für die Speicherung überschüssiger elektrischer Energie. Wegen der schwankenden Strommengen sind für seine Herstellung dynamische Betriebsbedingungen nötig, die jedoch Effizienz, Lebensdauer und Zuverlässigkeit einzelner Bauteile beeinflussen. Die PEM-Elektrolyse gewinnt in diesem Zusammenhang immer mehr Bedeutung. Dr. Pawel Gazdzicki vom Projektkoordinator Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR) stellt das dazugehörige HYPOS-Projekt ElyKon und seine Ergebnisse zum Projektabschluss vor.

HYPOS: Was war die Idee, die zur Initiierung des Projekts geführt hat?

Gazdzick: Wasserelektrolyse ist eine Schlüsseltechnologie zur Herstellung von Wasserstoff durch regenative Energiequellen. Um die Kosten des Grünen Wasserstoffs zu senken, ist es notwendig die Effizienz und Lebensdauer des Polymermembran-Elektrolyseurs zu steigern. Die Herausforderung der Kopplung von Elektrolyseuren mit regenerativen Energien ist das dynamische Lastprofil und die damit verbundenen Änderungen der Betriebsbedingungen, die zu Effizienzverlusten und Lebensdauereinschränkungen führen. Die Idee von ElyKon war es, eine Kontrollstrategie zu entwickeln, die eine kontinuierliche Zustandsüberwachung des Polymermembran-Elektrolyseurs erlaubt und in der Lage ist, ungünstige Betriebszustände mit Hilfe neuartiger Sensorik zu identifizieren und ihnen entgegenzuwirken. Solch ein Projekt hat sehr gut zu HYPOS gepasst, da das Thema noch nicht adressiert worden ist und somit als ein „White-Spot“ mit besonders hohem Kostensenkungspotential für Grünen Wasserstoff darstellt.

HYPOS: Mit welchen Zielen und Hoffnungen sind Sie in das Projekt gestartet?

Gazdzick: Ziel dieses Projekts war die Optimierung von Effizienz, Lebensdauer und Zuverlässigkeit von Polymermembran-Elektrolyseuren unter dynamischer Lastaufnahme aus erneuerbaren Energien. Es wurde folgender Forschungsbedarf, der zur Erreichung dieser Ziele notwendig ist, identifiziert: (i) Entwicklung spezialisierter Sensoren für die PEM Elektrolyse, um ungünstige Betriebsbedingungen sowie den State-of-Health (SoH) der Komponenten schnell zu erfassen, (ii) Untersuchungen des Verhaltens des Elektrolyse-Stacks im dynamischen Betrieb, der die Entwicklung von Testprotokollen zur beschleunigten Alterung (accelerated stress tests, ASTs) sowie die Untersuchung der Einflüsse der Betriebsbedingungen auf die Alterung umfasst, (iii) Erarbeitung einer Regelungsstrategie für den dynamischen Systembetrieb, um die Effizienz, SoH und Lebensdauer des Systems zu optimieren.

HYPOS: Welche Innovationen konnten im Rahmen der Projektarbeit erreicht werden?

Gazdzick: In dem Projekt gab es eine Vielzahl an Innovationen. Dazu gehören die Entwicklung von (i) Testprotokollen für beschleunigte Alterung von Polymermembran-Elektrolyse-Stacks, die in einer referierten Fachzeitschrift veröffentlicht wurden (https://doi.org/10.1016/j.coelec.2020.02.024), (ii) neuartigen Sensoren für die Überwachung der Stromdichteverteilung im Stack und Identifizierung ionischer Kontaminationen im Wasserkreislauf, (iv) Entwicklung von Materialien und Fertigungs-Technologie für kompakte, gedruckte Feuchtesensoren und (v) die Entwicklung einer schnellen, mehrkanaligen und parallelen Erfassung und Verarbeitung von Messwerten aus der Sensorik.   

HYPOS: Welchen Herausforderungen oder Überraschungen sind Sie während der Projektarbeit begegnet?

Gazdzick: Die größte Herausforderung hing mit den Einschränkungen durch die Corona-Pandemie zusammen, die bei dem sehr Labor-lastigem Projekt zu starken Verzögerungen geführt hat. Die damit verbundenen Beschränkungen in der Reisetätigkeit haben einen direkten Austausch zwischen den Partnern (z.B. gemeinsame Messkampagnen) erschwert. Dazu kamen die während der gesamten Pandemie anhaltende Lieferkettenprobleme, die zu sehr langen Lieferzeiten geführt haben. Zwar konnte das Projekt von 33 auf 40 Monate verlängert werden. Dadurch haben wir allerdings keine Prüfzeiten gewonnen, sondern nur die bis April 2021 akkumulierten Verzögerungen kompensiert. Die Einschränkungen während der Pandemie haben auch dazu geführt, dass die Ergebnisverwertung, vor allem Teilnahme an Konferenzen und Workshop, nicht mit der erwarteten Intensität erfolgen konnte.

HYPOS: Worin sehen Sie den langfristigen Nutzen der Projektarbeit auch nach Abschluss des Projekts?

Gazdzick: Im Projekt konnte klar gezeigt werden, welche Betriebsbedingungen zu besonders starker Degradation führen und unbedingt vermieden werden müssen. Dazu zählen z.B. der konstante Überlastbetrieb sowie häufige Lastwechsel. In diesem Kontext wurde gezeigt, wie der Projektansatz mit auf die Fragestellung angepassten Sensoren zur Erkennung kritischer Bedingungen geeignet ist. Auch die entwickelten ASTs sind für eine schnelle Qualifizierung bei der zukünftigen Entwicklung von Komponenten für Polymermembran-Elektrolyseure von besonders hohen nutzen, da sie teure und zeitintensive Testzeiten deutlich reduzieren können. Die Entwicklungen zu Sensorik und Datenerfassung haben eine Wirkung über die Projektlaufzeit hinaus: Alle Innovationen können für weitere F&E-Projekte genutzt werden und liegen teilweise auch in konkretem industriellem Interesse.

HYPOS: Vielen Dank für das Gespräch.

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