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Stacks auf Herz und Nieren testen
Bisher konnten Stacks großer Leistungsklasse nicht hinreichend untersucht werden. Im Projekt TEZEL entwickeln Wissenschaftler dafür ein weltweit einmaliges Test- und Prüfzentrum für PEM-Elektrolyseure. Damit können künftig Stacks bis zu einem Megawatt Anschlussleistung auf Herz und Nieren getestet werden.
| Projektstatus | Kurz vor Fertigstellung |
|---|---|
| Projektlaufzeit | Oktober 2012 bis Juni 2017 |
Bisher existiert keine Forschungseinrichtung oder Firma, in der Stacks in einer hohen Leistungsklasse untersucht werden können. Im neuen Testlabor ist dies nun möglich: Stacks können mit einer nominellen Anschlussleistung von bis zu einem Megawatt können getestet werden. Zudem besteht die Möglichkeit, PEM-Elektrolyse-Zellstapel zu entwickeln, betreiben und charakterisieren. Kernstück des Entwicklungs- und Technologiezentrums wird ein Versuchsteststand zur Vermessung von PEM-Elektrolyse-Zellstapeln mit einer maximalen elektrischen Stromstärke von 4.000 Ampere und einer maximalen Stack-Spannung von 250 Volt. Der maximale Wasserstoffabgasstrom ist mit 200 Nm³/h spezifiziert. Flankiert wird dieser Aufbau von einem Teststand für kleine Elektrolysezellstapel mit einer Leistung von 200 Kilowatt, der Messungen mit spezieller Diagnostik an Elektrolysezellstapeln mit verringerter Zellanzahl erlaubt.
Das Gesamtziel des Vorhabens ist, der deutschen Entwicklungslandschaft eine leistungsfähige Testumgebung zur Verfügung zu stellen, die es der Industrie ermöglicht, Servicemessungen durchführen zu lassen. Das ist bislang weltweit einmalig.
Der Forschungsfokus liegt dabei auf folgenden Aspekten:
- Eine 1-MW-Testfeldumgebung zur Kurzzeit- und Langzeitcharakterisierung von Druckelektrolysezellstapeln (bis ca. 4.000 A und 250 V)
- Eine 200-kW-Testfeldumgebung zur Langzeitcharakterisierung von Druckelektrolysezellstapeln (bis ca. 30 Zellen, 4.000 A) zur Untersuchung von Langzeiteffekten
- Eine Leitwarte zur Untersuchung der Einbindung von Elektrolyseuren in das elektrische Netz und zur sicheren Steuerung der Versuchseinrichtung, vor allem des 200-kW- und 1-MW-Testfeldes, inkl. notwendigen Steuerung
- Eine Wasserstoffspeichereinrichtung inkl. Aufbereitung und Kompression zur weiteren Nutzung des produzierten Wasserstoffs in stofflichen Prozessen oder Power-to-Gas-Projekten
- Diverse Analysemethoden zur Untersuchung der produzierten Gase (mobile Gasanalytik) und der eingesetzten Materialien (bildgebende Verfahren zur 2D- und 3D-Analyse poröser Zellmaterialien wie Computertomographie und Elementaranalyse wie EDX)
- Ein Stackmontage-Labor mit diversen Werkzeugen und Materialpräparation
- Eine leistungsfähige Simulationsumgebung zur elektrochemischen Modellierung von Elektrolysezellen und simulationsgestützter Auslegung von PEM-Elektrolyse-Stacks inkl. der notwendigen Lizenzen für die Simulationswerkzeuge (u. a. COMSOL, Matlab-Simulink)
Wasserstofftechnologie am Fraunhofer ISE
Im Bereich der Wasserstofftechnologie des Fraunhofer ISE werden die Möglichkeiten der Wasserstofferzeugung und -speicherung sowie Verstromung in Brennstoffzellen intensiv untersucht. Etwa 70 Wissenschaftler und Ingenieure befassen sich mit Elektrolyse, solarem Wasserstoff, PEM-Brennstoffzellen, Redox-Flow-Batterien, Biomassekonversion und Reformierverfahren.
Beginnend mit dem energieautarken Solarhaus in Freiburg werden am Fraunhofer ISE seit über 20 Jahren PEM-Elektrolysesysteme entwickelt und optimiert, sowie systemische Betrachtungen zu Wasserstoff-Speichern durchgeführt. Damit ist das Fraunhofer ISE das einzige Forschungsinstitut, welches seitdem kontinuierlich an der Weiterentwicklung der PEM-Elektrolyse arbeitet. Bereits Ende der 1990er Jahre konnte das Fraunhofer ISE eine solare Wasserstofftankstelle auf Basis der PEM-Elektrolyse aufbauen.
In fünf Stationen zum fertigen Testzentrum
In der ersten Phase wurde ein Konzept zur Einrichtung des PEM-Elektrolyse-Testlabors erstellt. Dies umfasst die Infrastrukturplanung in Bezug auf Elektrik, Gasverteilung und Sicherheitsüberwachung, die Erstellung von Spezifikationen sowie die Ausstattung der Werkstatt und der wissenschaftlichen Arbeitsplätze.
In der zweiten Phase wird die Hardware (gemäß Beschaffungsverordnung) angeschafft. Dafür wird zunächst eine Recherche von Equipment und Lieferanten durchgeführt und dann die technischen Spezifikationen diskutiert. Danach erfolgt die eigentlich Beschaffung größtenteils in Ausschreibungsverfahren.
In der dritten und nächsten Phase erfolgt die Installation der Anlagen im Labor. Nach der Installation werden die Anlagen an die bestehende Infrastruktur des Labors (Abluft, Wasser, Gase usw.) angeschlossen.
Die Gerätschaften werden in der vierten Phase gemeinsam mit dem Lieferanten in Betrieb genommen und letzte Anpassungen durchgeführt. Ein wichtiger Punkt stellt die Überprüfung der Sicherheitstechnik da. Die Gerätschaften werden danach an die übergeordnete Leitwarte angeschlossen.
In der fünften und letzten Phase erfolgt der Probebetrieb des Testlabors, in dem ein ein Megawatt- und ein 200-Kilowatt-Teststand das wesentliche Elemente des Testzentrums ausmachen werden; Mängel werden ggf. beseitigt und sichere Prozessabläufe und Testprozeduren werden entwickelt.
