Produktion von grünem Wasserstoff optimieren

Für den steigenden Bedarf an grünem Wasserstoff müssen auch die Kapazitäten an effizienten, langlebigen, robusten und günstigen Elektrolyseuren ausgebaut werden. Allerdings erfolgt ihre Herstellung bisher noch immer größtenteils in Handarbeit. Forschungsteams der Technischen Universität Clausthal arbeiten gemeinsam mit der Industrie daran, leistungsfähige Elektrolyseure automatisiert und kostengünstig herzustellen. Die Herausforderungen reichen dabei von den Materialien über die Hochskalierung bis zu den Fertigungstechnologien und -kosten.

Abb. 1: Für die Wasserstoff-Produktion werden Elektrolyseure in Industriegröße benötigt. Felix Gäde und Stina Bauer prüfen deren Leistungsfähigkeit und Stabilität im Testfeld am Forschungszentrum Energiespeichertechnologien in Goslar. (© TU Clausthal)

Testfeld für alkalische Wasserelektrolyse im industriellen Maßstab

Wasserstoff wird im Industrie- und Energiesystem der Zukunft eine Schlüsselrolle einnehmen. Neben den etablierten Prozessen der chemischen Industrie, etwa zur Ammoniak- und Methanol-Herstellung, benötigt auch eine zukünftig CO2-arme Stahlindustrie enorme Mengen an Wasserstoff als Rohstoff. Darüber hinaus ist Wasserstoff hervorragend als Speichermedium geeignet, da er kostengünstig in großen Mengen gespeichert und effizient in andere Energieformen umgewandelt werden kann. Die Herstellungsverfahren von Wasserstoff sind vielfältig und basieren derzeit hauptsächlich auf fossilen Quellen. Zukünftig wird der überwiegende Anteil durch Elektrolyse von Wasser unter Verwendung erneuerbarer Energien gewonnen werden.

Vorteile der alkalischen Wasserelektrolyse

Zur Herstellung dieses grünen Wasserstoffs durch Elektrolyse gibt es unterschiedliche Technologien. Bei Temperaturen von 60 bis 90°C nutzen die alkalische Elektrolyse (AEL) und die Polymer-Elektrolyt-Membran-Elektrolyse flüssiges Wasser, während die Hochtemperatur-Elektrolyse Wasserdampf oberhalb von 600°C spaltet. Angesichts der prognostizierten Wachstumsraten werden sich alle Elektrolysetechnologien ihren Marktanteil erobern, allerdings zeichnet sich die AEL durch die am weitesten fortgeschrittene technische Entwicklung und die Verwendung kostengünstiger, edelmetall- und fluorfreier Materialien aus.

Abb. 2: Stina Bauer nimmt Daten im Testfeld für die alkalische Wasserelektrolyse auf. (© TU Clausthal)

Testfeld für Elektrolyse-Zellstapel

Am Forschungszentrum Energiespeichertechnologien (EST) der TU Clausthal wurde 2022 im Rahmen der Forschungsplattform H2Giga des Bundesforschungsministeriums (BMBF) ein Testfeld für Zellstapel (Stacks) in industrieller Baugröße in Betrieb genommen. Das ermöglicht den Einsatz von Stacks bis zu einer elektrischen Leistung von 150 Kilowatt bei Strömen bis zu 4000 Ampere. Dadurch können die Forschungsteams zentrale Fragen zur Leistungsfähigkeit und Stabilität der Zell-Komponenten (Elektroden, Separatoren) unter dynamischen Lastprofilen, wie sie durch fluktuierende erneuerbare Energien zu erwarten sind, sowie die Auswirkungen des dynamischen Betriebs auf die Gasreinheit des Wasserstoffs beantworten. Zusätzlich erlaubt ihnen das Testfeld mit seinen elektrotechnischen Komponenten, die Netzrückwirkungen zukünftiger Elektrolysesysteme zu bewerten.

Material einsparen, Produktion automatisieren

Die in dem Testfeld zu untersuchenden Stacks werden von der WEW GmbH bereitgestellt, die zeitglich das zugehörige und vom BMBF geförderte Verbundprojekt „StaR – Stack Revolution“ koordiniert. Ziel des Projektes ist es, die Herstellungskosten von alkalischen Elektrolyseuren auf Werte deutlich unterhalb der Marktprognosen von 2030 zu reduzieren. Die Forschenden realisieren dies durch ein produktionsoptimiertes Stackdesign sowie die Entwicklung und Validierung von darauf abgestimmten Produktionskonzepten im Gigawatt-Maßstab. Dabei sind ein material- und kostensparendes Design sowie ein optimales Maß an Automatisierung in der Fertigung wichtige Voraussetzungen zur Erreichung der Kostensenkungspotenziale. Das neue Testfeld am EST der TU Clausthal kann dabei gleichzeitig die Leistungsfähigkeit und Stabilität der produzierten Stacks gewährleisten.