Natürlich haben wir uns bewusst für die PEM-Elektrolyse entschieden. Autoren wie Martin Zapf in seinem Buch über Power to X fassen die Vorteile von PEM-Elektrolyse gegenüber von AEM sehr gut zusammen. Interessant auch, dass eine aktuellere Studie 1/6 der damaligen kosten für PEM-Elektrolyseure beschreibt.
Inhalt
Betriebstemperatur und -drücke 171
Zellspannungen und Spannungswirkungsgrad 173
Effizienz von Elektrolysezellen und Elektrolysesystemen 173
Hochtemperaturelektrolyseure 178
3.2.1.4 Teillast- und Überlastfähigkeit 179
3.2 Technologieübersicht und Herstellungsverfahren von synthetischen Gasen
Die wesentlichen Verfahrensschritte zur Herstellung von SNG sind die Wasserelektrolyse und die Methanisierung. Für Letzteres bedarf es einer Kohlenstoffdioxidbereitstellung. Verfahrensschritte, Technologien und CO2-Quellen werden im Folgenden erläutert.
3.2.1 Elektrolyse
3.2.1.1 Prozessgrundlagen
Die Elektrolyse kennzeichnet die elektrochemische Zerlegung (Redoxreaktion) einer Substanz durch Stromzufuhr und ist der Umkehrprozess zu dem Prozess eines galvanischen Elements, z. B. einer Batterie bzw. eines Akkumulators oder einer Brennstoffzelle. Um eine konstant ablaufende Reaktion zwischen den Elektroden zu ermöglichen, ist die Stromzufuhr mit Gleichspannung notwendig. An der Kathode (Minuspol) findet die elektrochemische Reduktion (Elektronenaufnahme, Abnahme der Oxidationsstufe) und an der Anode (Pluspol) die elektrochemische Oxidation (Elektronabgabe, Erhöhung der Oxidationsstufe) statt. Bei der Elektrolyse wässriger Lösungen (Wasserelektrolyse) wird stets Wasser zersetzt, wobei Wasserstoff an der Kathode und Sauerstoff an der Anode entsteht. Durch Zugabe von Säuren wie HCl, Basen wie KOH oder löslichen Salzen wie NaCl wird das Wasser leitfähiger gemacht und so der ohmsche Widerstand herabgesetzt.
Betriebstemperatur und -drücke
Die Wasserelektrolyse läuft endotherm ab, wobei für die Spaltung von flüssigem Wasser unter Standardbedingungen[1] ein theoretischer Energieaufwand von 285,9 kJ/mol (Brennwert von Wasserstoff) und für gasförmiges Wasser von 242 kJ/mol (unterer Heizwert von Wasserstoff) erforderlich ist. Die Differenz entspricht der Verdampfungswärmeenthalpie von Wasser mit 43,9 kJ/mol. Ein Teil der Reaktionsenthalpie kann als thermische Energie aufgebracht werden, welche sich aus dem Produkt der thermodynamischen Temperatur (T) und der Reaktionsentropie (∆SR) zusammensetzt. Die minimale Reaktionsenthalpie, die als elektrische Energie zur Verfügung gestellt werden muss, stellt die freie Reaktionsenthalpie (∆GR) dar, welche auch elektromotorische Kraft (EMK) genannt wird. Diese entspricht der Differenz aus der Reaktionsenthalpie (∆HR) und dem Produkt von T und ∆SR. Die minimale elektrische Zellspannung bei der Wasserelektrolyse unter Standardbedingungen ergibt sich aus der freien Reaktionsenthalpie (∆GR bzw. EMK) von 237,2 kJ/ mol und entspricht 1,23 V. Diese Spannung wird als reversible Zellspannung bezeichnet.
a b
Abb. 3.2 Temperatur- und Druckabhängigkeit der theoretischen Zersetzungsspannung der Wasserelektrolyse. (Kurzweil und Dietlmeier 2018)
Dies setzt voraus, dass der Anteil T∙∆SR in Form von Wärme in den Elektrolyseprozess integriert wird. Wenn die thermische Energie in Form von elektrischer Energie eingebracht wird, spricht man von der thermoneutralen Spannung, die für flüssiges Wasser unter Standardbedingungen 1,48 V beträgt. Aufgrund der Beziehung ∆GR = ∆HR − T∙∆SR sinkt die elektrisch zu erbringende Energie mit steigender Temperatur des Wassers. Für Wasserdampf mit 1000 °C beträgt diese lediglich 0,91 V. Abb. 3.2 zeigt diese Temperaturabhängigkeit. Zudem wird die Zellspannung in Abhängigkeit des Druckes verdeutlicht, welche logarithmisch ansteigt. Der thermodynamische Wirkungsgrad der Wasserelektrolyse ergibt sich aus dem Quotienten von ∆GR zu ∆HR (∆GR/∆HR). Letzterer beträgt unter Standardbedingungen für flüssiges Wasser 83,1 % und für Wasserdampf maximal 94,4 %.
Zellspannungen und Spannungswirkungsgrad
Die tatsächlich erforderlichen Zellspannungen in realen Wasserelektrolyseuren liegen erheblich über der theoretischen Zersetzungsspannung. Dies liegt einerseits an sog. Überspannungen (Spannungsabfälle) an den Elektroden, die aufgrund von Elektronendurchtrittshemmungen bei den elektrochemischen Reaktionen zustande kommen – auch Durchtrittsüberspannungen genannt. Sie treten beim Durchtritt der Ladungsträger an der Grenze von Elektroden und Elektrolyten auf und sind abhängig vom Elektrodenmaterial und den entstehenden Gasen. Zum anderen muss die Widerstandspolarisation überwunden werden, die durch den ohmschen Widerstand der Zelle (Elektrolyt, Separator und Elektroden) hervorgerufen wird. Somit setzt sich die reale Zellspannung (UZelle in V) bei einer bestimmten Stromstärke aus der Summe der reversiblen Zellspannung, dem ohmschen Spannungsabfall und den Überspannungen an der Anode und an der Kathode nach Gl. 3.1 zusammen.
UZelle = Urev + I *R + ηA +ηK (3.1)
Urev Reversible Zellspannung [V]
I × R Ohmscher Spannungsabfall – linear abhängig von der Stromstärke [V]
ηA Überspannung an der Anode – logarithmisch abhängig von der Stromstärke [V]
ηK Überspannung an der Kathode – logarithmisch abhängig von der Stromstärke [V]
Die einzelnen Faktoren der realen Zellspannung nehmen mit steigender Stromdichte zu und damit auch die reale Zellspannung. Diese Abhängigkeit ist in Abb. 3.3 dargestellt. Aus dem Quotient von reversibler Zellspannung und realer Zellspannung (Urev/UZelle) ergibt sich der Spannungswirkungsgrad der Elektrolysezelle. Dieser nimmt mit steigender Stromdichte ab. Ein Teillastverhalten führt deshalb zu einer (Spannungs-)Wirkungsgradsteigerung der Elektrolysezelle.
Effizienz von Elektrolysezellen und Elektrolysesystemen
Den Gesamtwirkungsgrad der Elektrolysezelle erhält man durch Multiplikation des
Spannungswirkungsgrads mit dem Faraday’schen Wirkungsgrad. Dieser erfasst den Umsatz
Abb. 3.3 Abhängigkeit der Zellspannung von der Stromdichte. (Smolinka et al. 2011)
der Ladung in einer Elektrolysezelle und ist das Verhältnis von der erzeugten Wasserstoffstoffmenge zur theoretischen Stoffmenge gemäß dem Faraday’schen Gesetz. „Da die Faraday’schen Wirkungsgrade der AEL und PEMEL Systeme bei 95 bis 98 % liegen und über den gesamten Lastbereich nahezu konstant sind, wird der Spannungswirkungsgrad dem Zellwirkungsgrad oft gleichgesetzt“ (Energieinstitut-Linz et al. 2014, S. 33). Um den Zellwirkungsgrad zu erhöhen, müssen der Energieaufwand zur Wasserspaltung (z. B. durch Temperaturerhöhung) und Energieverluste innerhalb der Zelle (z. B. durch leitfähige Elektrolyte und Katalysatoren) verringert werden.
| minimal 4,2 kWh/Nm3 und für Elektrolysesysteme minimal 4,5 kWh/Nm3 |
Der Wirkungsgrad eines Elektrolysesystems wird über den spezifischen Energieverbrauch je Normkubikmeter des produzierten Wasserstoffs ermittelt. Hierbei kann ein Bezug auf den Brennwert (3,54 kWh/m3) oder den Heizwert (3 kWh/m3) von Wasserstoff erfolgen. Neben der Effizienz der Elektrolysezellen, fließen in den Systemwirkungsgrad auch die Umwandlungsverluste der Peripherie ein. Ein Teillastverhalten wirkt sich negativ auf die Systemeffizienz aus, da weitgehend lastunabhängige Verbraucher (Peripherie) im System und höhere Gasverluste im Teillastbetrieb bestehen. Die Effizienz einer Elektrolysezelle bzw. der Spannungswirkungsgrad und die Systemeffizienz folgen entsprechend einem unterschiedlichen Trend. In Abb. 3.4 sind typische spezifische Energieverbräuche je Wasserstoffproduktionsrate nach Herstellerangaben dargestellt. Wie in der Grafik abgebildet, verringert sich der spezifische Energieaufwand mit zunehmender Wasserstoffproduktionsrate. Die dargestellten spezifischen Energieverbräuche betragen für Elektrolysestacks[2].
Abb. 3.4 Spezifischer Energieverbrauch von Elektrolyse-Systemen. (Smolinka et al. 2011)
Bezogen auf den Brennwert (Heizwert) entspricht dies einem Stackwirkungsgrad von 84,3 % (71,4 %) und einem Systemwirkungsgrad von 78,67 % (66,6 %).[3] Mittel- bis langfristig gehen Smolinka et al. (2011) von 4,1 kWh/Nm3 für PEM-Elektrolysesysteme bzw. 4,3 kWh/Nm3 für alkalische Elektrolysesysteme aus. Dies entspricht einem Gesamtsystemwirkungsgrad von bis zu 86 %, soweit ein Bezug auf den Brennwert erfolgt.
3.2.1.2 Elektrolyseure
Für die Wasserelektrolyse stehen insbesondere alkalische Elektrolyseure (AEL),[4] Membranelektrolyseure (PEM, PEMEL)[5] und Hochtemperaturelektrolyseure (SOEL, HTES)[6] zur Verfügung. Funktionsweise und Aufbau dieser Elektrolyseure unterscheiden sich, was im Folgenden kurz erläutert wird. Der grundsätzliche Aufbau der Zellen ist in Abb. 3.5 dargelegt. Die jeweiligen chemischen Reaktionen sind in Tab. 3.1 zusammengefasst.
Alkalische Elektrolyseure
Alkalische Elektrolysezellen bestehen aus zwei Halbzellen, die durch einen ionendurchlässigen Separator getrennt und durch einen Zellrahmen abgedichtet sind. In diesem zirkuliert die Elektrolytlösung. Nahe des Separators liegen auf beiden Seiten die porösen bzw. perforierten großflächigen Elektroden. Wird eine ausreichende Spannung an die Elektroden angelegt, wird an der Kathode Wasser in atomaren Wasserstoff und Hydroxidionen aufgespalten. An der Anode reagieren die durch den Seperator diffundierenden Hydroxidionen zu Wasser und Sauerstoff. Die entstandenen Sauerstoff- und Wasserstoffmoleküle steigen auf, werden vom Elektrolyten abgeschieden und abgeführt. Das bei der Reaktion verbrauchte Wasser wird in beiden Halbzellen nachgefüllt.
PEM-Elektrolyseure
Eine PEM-Elektrolysezelle besteht aus bipolaren Platten. Eingravierte Kanäle (Flow Fields) in den Platten ermöglichen einen Wasser- wie auch Gastransport. Innerhalb der Platten werden die Anoden- und Kathodenräume durch eine protonenleitende feste Membran, welche als Elektrolyt dient, voneinander getrennt. Dieser wird auch Solid Polymer Electrolyte (SPE) genannt. Die Elektroden sind meist fest mit dieser Membran zum sog. Membrane Electrode Assembly (MEA) verbunden. Zwischen MEA und Bipolarplatten befinden sich poröse Stromableiter (Current Collectors), die den Stromfluss zu den Elektroden ermöglichen und für die Produktgase wie auch für Wasser durchlässig sind. Beim Anlegen einer ausreichenden Spannung wird das anodenseitig zugeführte Wasser an der Anode
Abb. 3.5 Grundsätzlicher Aufbau der verschiedenen Elektrolysezellen. a AEL, b PEM, c HTES
Tab. 3.1 Chemische Reaktionen bei den verschiedenen Elektrolysezellen
|
Alkalische Elektrolyse | Membran-Elektrolyse | Hochtemperatur- elektrolyse | |
| Kathoden reaktion | 2 H2O + 2 e−→H2 + 2 OH− | 2 H+ + 2 e−→H2 | H2O + 2 e−→H2 + O2− |
| Ladungsträger | OH− | H+ | O2− |
| Anodenreaktion | 2 OH−→½ O2 + H2O + 2 e− | O2−→½ O2 + 2 e− | O2−→½ O2 + 2 e− |
in Sauerstoff und positiv geladene Wasserstoffatome (Protonen) aufgespalten. Die Protonen diffundieren durch die Membran zur Kathode, wo sie unter Energiezufuhr zu Wasserstoffmolekülen reagieren. Die entstandenen Sauerstoff- und Wasserstoffmoleküle steigen in den Kanälen der bipolaren Platten auf und werden abgeführt. Das bei der Reaktion verbrauchte Wasser wird dem Elektrolyseur an der anodenseitigen Halbzelle nachgefüllt.
Hochtemperaturelektrolyseure
Eine Hochtemperaturelektrolysezelle besteht aus zwei Halbzellen, die durch einen festen, Sauerstoffionen leitenden und gasdichten Festelektrolyten getrennt sind. An diesem sind beidseitig Elektroden aufgebracht. Im Gegensatz zu alkalischen und PEM Elektrolyseuren wird nicht Wasser sondern Wasserdampf zugeführt. Ein Teil der Spaltungsenergie kann vom erhitzten Wasser durch eine dem Elektrolyseprozess vorgeschalteten Wärmezufuhr bereitgestellt und die Zellspannung so um mehr als 0,5 V auf unter 1 V gesenkt werden. Damit sind hohe strombezogene Wirkungsgrade erreichbar. Der Wasserdampf wird überhitzt mit etwa 700 bis 1000 °C kathodenseitig zugeführt. Dabei reagiert dieser unter Energiezufuhr (Elektronen) zu Wasserstoffmolekülen und Sauerstoffionen. Die Sauerstoffionen diffundieren durch den Elektrolyten zur Anode, wo sie unter Elektronenabgabe zu Sauerstoffmolekülen reagieren. Fast alle Festoxidzellen (SOEL) sind grundsätzlich umkehrbare Zellen und können neben dem Elektrolysebetrieb auch als Brennstoffzelle eingesetzt werden. Zudem kann neben Wasserdampf auch CO2 zu CO reduziert werden, wodurch das benötigte Synthesegas für die Umwandlung in Methan oder synthetische flüssige Kraftstoffe direkt innerhalb der Elektrolyse generiert werden kann. Da Hochtemperaturelektrolysen in den 2010er-Jahren den niedrigsten Entwicklungsstand unter den genannten Wasserelektrolysesystemen aufwiesen, werden diese hier nicht weiter betrachtet, was jedoch nicht bedeutet, dass es sich hierbei nicht um eine aussichtsreiche Technologie handelt.
Das Druckniveau der PEM-Elektrolyse ist besser
Grundsätzlich kann zwischen atmosphärischen und druckbehafteten Elektrolyseuren unterschieden werden. Das notwendige Druckniveau von Wasserstoff variiert nach der jeweiligen Verwendung. Während eine nachgeschaltete chemische Methanisierung 20–30 bar benötigt, werden für die direkte Einspeisung in das Gasnetz je nach Netzebene unterschiedliche Druckniveaus erforderlich. Ein Wasserstofftransport mittels Gastanks bzw. Pipelines benötigt meist Drücke zwischen 50 und 80 bar. Eine Einlagerung in Salzkavernen und Trailern bzw. Hochdruckspeichern erfolgt mit noch höheren Drücken. Um Wasserstoff vom atmosphärischen Druck auf ein Druckniveau von 30 bar zu bringen, sind ca. 0,2 kWhel/m3 notwendig. Höhere Druckniveaus von Elektrolyseuren ermöglichen eine kompaktere Bauweise, jedoch sind damit ein höherer Wartungsaufwand und umfangreichere Sicherheitstechnik erforderlich. Des Weiteren sinkt mit steigenden Drücken die Elektrolyseeffizienz und zusätzliche Wasserstoffverluste können auftreten. Die Kosteneffizienz von druckbehafteten gegenüber atmosphärischen Elektrolyseuren ist nicht in jedem Auslegungsfall gegeben. Im Allgemeinen lassen sich Hochdruckelektrolyseure mit der PEM-Technologie leichter realisieren.[7]
Stackdesign
„Da die Gasproduktionsraten einzelner Elektrolysezellen begrenzt sind, wird für größere Leistungen und Gasmengen die Anzahl der Zellen nach oben skaliert und mehrere Zellen werden im Filterpressenaufbau zu einem ‚Stack‘ zusammengeschaltet“ (Sterner und Stadler 2017, S. 361). Der Aufbau ist bipolar oder monopolar möglich. Beim monopolaren Aufbau werden die Elektrolysezellen parallel und beim bipolaren Aufbau in Reihe geschaltet.
Stand der Technik
Die wichtigsten Kennzahlen sowie Vor- und Nachteile von alkalischen und PEM Elektrolyseuren sind in Tab. 3.2 aufgelistet.
3.2.1.3 Peripherie
Für den Betrieb einer ganzen Elektrolyseanlage ist eine Reihe dem Elektrolysestack vor- und nachgeschalteter sowie übergeordneter Peripherie notwendig. Die Peripherie ist für alkalische und PEM Elektrolyseure nahezu identisch (siehe Tab. 3.3).[8] Die notwendigen Komponenten für den stromseitigen Anschluss, beispielsweise Transformator, Gleichrichter oder Kabel, werden hier nicht als Peripherie aufgeführt, sind jedoch je nach Netz- und Anschlusssituation zusätzlich notwendig. Gleiches gilt für die Einspeiseanlage zum gasseitigen Anschluss einer Power-to-Gas-Anlage an das Erdgasnetz.
3.2.1.4 Teillast- und Überlastfähigkeit
Die Teillastfähigkeit von alkalischen Elektrolyseuren wird von den meisten Herstellern im Bereich von 20–40 % der Nominallast angegeben. Wird ein alkalischer Elektrolyseur in diesem Bereich betrieben, wirkt sich dies negativ auf die resultierende Gasqualität aus. Die Hauptursache sind die im rückgeführten Elektrolytstrom gelösten Fremdgase. Eine komplette Trennung bzw. Regelung der beiden Laugenströme würde diesem Problem entgegenwirken. Ein häufiger Betrieb im unteren Teillastbereich bzw. ein häufiges Abschalten führt generell zur Senkung des Wirkungsgrades (hohe Querdiffusionen, Regeneration der Reinigung, Spülung, etc.). Im ausgeschalteten Zustand ist vielfach das Anlegen von einem sog. Haltestrom notwendig, um vor erhöhter Korrosion (Degradation) zu schützen.
AEL-Systeme sind generell auch nur sehr begrenzt überlastfähig. Es gibt vereinzelt Be-
Tab. 3.2 Stand der Technik Mitte der 2010er-Jahre von alkalischen und PEM Elektrolyseuren. (In Anlehnung an Sterner und Stadler 2017; Energieinstitut-Linz et al. 2014; DVGW 2013b; Smolinka et al. 2011)
|
Alkalische Elektrolyseure |
PEM-Elektrolyseure | |
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Elektrolyt |
Flüssig |
Fest |
|
Elektrolytlösung bestehend aus 20–40 % Kaliumhydroxid (KOH bzw. Kalilauge) |
Hochporöser Polymerelektrolyt (Solid Polymer Electrolyte, SPE) wie beispielsweise Nafion | |
|
Typische Werkstoffe | Stahl (Zellrahmen), Nickel bzw. Nickellegierungen(Katalysatoren, Elektroden),Zirfon (Seperator) | Titan (Current Collectors undBipolare Platten), Edelmetall- bzw.Edelmetalloxid-Katalysatoren(Iridium oder Ruthenium auf derAnode und Platin auf der Kathode) |
| Betriebstemperatur | 40–90 °C | 20–100 °C |
| Druck | 1–30 bar | 30–50 bar |
| Spannungswirkungsgrad | 62–82 % | 67–82 % |
| Zellspannung | 1,8–2,4 V | 1,8–2,2 V |
| Stromdichte | 0,2–0,45 A/cm2 | bis 2,5 A/cm2 |
| Wasserstoff- produktionsrate | 1–760 m3/h | 0,01–30 m3/h |
| Realisierte elektrische Leistungen | 5 kW–3,4 MW | 0,5–160 kW |
| Standzeiten inkl. Überholung | 20–30 a | 10–20 a |
| Degradation | < 3 μV/h | < 0,5 μV/h |
| Energieaufwand | 4,5–7,0 kWhel/m3 H2 | 4,5–7,5 kWhel/m3 H2 |
| Spezifische Investitionskosten k0 | 800–1500 €/kW | 2000–6000 €/kW |
| Aufbau, Anlieferung | 10 % k0 | 10 % k0 |
| Wartung, Betrieb, Versicherung | 4 % k0 pro Jahr | 4 % k0 pro Jahr |
| Vorteile |
|
|
Nachteile |
|
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Tab. 3.3 Peripherie für alkalische und PEM Elektrolyse-Anlagen. (in Anlehnung an Sterner und Stadler 2017)
|
Vorgeschaltet |
Nachgeschaltet |
Übergeordnet |
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Wasseraufbereitung • zur Entfernung schädlicher Ionen und Schwebstoffe |
Wasserstoffverdichtung und -zwischenspeicherung • für den Transport oder für eine nachgeschaltete Methanisierung (Druckniveau, Entkopplung) | Überwachungs-, Analyse und Spülsysteme |
Laugenkreislauf und -aufbereitung • für Kalilauge vonAEL-Systemen(entfällt fürPEM-Systeme) | Wasserstoffaufbereitung | Wärmemanagement |
Prozessleitsystem• zur Steuerung undÜberwachung des Systems | ||
Sonstige Leistungselektronik |
strebungen, die teils vorhandene Überlastfähigkeit von 120–140 % der Nennleistung auf über 150 % zu steigern. Generell ist davon auszugehen, dass eine Überlastfähigkeit bis zu 300 %, wie sie mit der PEM-Technologie möglich ist, in naher Zukunft nicht erreicht werden kann. Die Überlastfähigkeit von Elektrolyseuren ist wenig erprobt und zeitlich begrenzt einsetzbar, wodurch diese Betriebsweise in Planungsprozessen von Elektrolyseanlagen in den 2010er-Jahren wenig bis keine Berücksichtigung fand. Die PEM-Elektrolyse ermöglicht einen großen Teillastbereich, was insbesondere für die Kopplung mit fluktuierenden Erzeugern von Vorteil ist. Auf Zell- und Stackebene kann komplett abgeregelt werden. Auf Systemebene ist die untere Grenze auf ca. 5 % der nominalen Leistung wegen des Eigenverbrauchs der Peripheriekomponenten begrenzt. Neben dem Teillastverhalten der Elektrolysezellen ist die Dynamik der Peripheriekomponenten entscheidend. Die Zeitkonstanten nachgeschalteter Systemkomponenten bei alkalischen Elektrolyseuren,
z. B. Laugenpumpen, Druckregler oder Produktgasseparatoren, sind wesentlich größer als die der Zelle. Die Peripherie der PEM-Elektrolyseure, z. B. Zirkulationspumpen oder Flüssig- Gas- Separatoren, weist ebenfalls höhere Zeitkonstanten als die Zelle auf. PEM- Elektrolyseure haben jedoch im Vergleich zu alkalischen Elektrolyseuren eine geringere thermische Kapazität. Dadurch kann der Betriebspunkt gut einer intermittierenden Strombereitstellung folgen. Ferner erreicht ein PEM-Elektrolyseur in der Startphase schnell die
Betriebstemperatur.[9]
PEM-Elektrolyse harmoniert wind Windkraft und Solarstrom
Das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoffforschung Baden-Württemberg (ZSW) hat die Regelbarkeit der alkalischen Elektrolyse anhand einer 250-kW-Power-toGas- Anlage getestet. Abb. 3.6 zeigt beispielhaft das notwendige Zeitintervall vom Stand- by- Betrieb mit einer Stacktemperatur von 70 °C bis zum Erreichen einer 100 %igen
Elektrolyseleistung. Hierfür waren weniger als 100 Sekunden nötig.[10]
Das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) hat Untersuchungen zur Dynamik von PEM-Elektrolysesystemen durchgeführt. In einer Testfeldumgebung wurden für einen PEM-Elektrolyseur die Verbräuche des Zellstapels, der 24-V- und 48-V-Verbraucher, des Kälteaggregats und der Gastrocknung separat erfasst. Als Strombezugsprofil wurden die Einspeisungen eines Windparks mit 36 MW installierter Leistung herangezogen. Die Leistungswerte des Profils wurden auf die mittlere Leistung des getesteten Elektrolyseurs (60 A) normiert, sodass ein Überlast- und Teillastverhalten simuliert werden konnte. Der Elektrolyseur, bestehend aus 46 Zellen, wies eine Brutto- Wasserstoffproduktion von 1150 l/h bei 60 A auf. Abb. 3.7 zeigt eine exemplarische Messreihe. Der Elektrolyseur konnte dem fluktuierenden Stromerzeugungsprofil verzögerungsfrei folgen. Auf Systemebene lag das Antwortverhalten im Minutenbereich, auf Zellebene im Subsekundenbereich. Zeitlich begrenzt konnte neben dem Teillast- auch ein Überlastbetrieb von 200 % realisiert werden. Beim Kaltstart benötigten die Aufheiz- und Druckaufbauphase mehrere Minuten. Der Wasserstoffdruck konnte aufgrund des Wasserstoffverbrauchs für die Druckwechseladsorptionsgastrocknung (PSA) bei kleineren Stromdichten nicht konstant gehalten werden. Hier wurde ein Optimierungspotenzial identifiziert. Der Energiebedarf der Peripherie war nahezu unabhängig vom Lastpunkt. Jedoch zeigte sich eine Abhängigkeit von der Außentemperatur, da diese einen Einfluss auf den Energiebedarf für die Kühlung hat. Unterhalb einer Leistungsaufnahme von 4 % wurde kein Wasserstoff erzeugt. Dies spiegelt den Verbrauchsanteil der Peripherie wider. Der Systemwirkungsgrad blieb über einen Bereich
„Regelbarkeit der alkalischen Elektrolyse.“
| Stand-by/Start-up + Lastwechsel in < 100 (10) s! |
Zeitintervall von Stand-by (70°C Stack-Temp.) auf 100%-Elektrolyseleistung
Zeit [min:s]
Abb. 3.6 Regelbarkeit eines alkalischen Elektrolyseurs. (ZSW 2014)
von 20–60 A relativ konstant, was die gegensätzliche Auswirkung des Teillastverhaltens auf den Zell- und Systemwirkungsgrad verdeutlicht. Unterhalb von 20 A fiel der Systemwirkungsgrad stark ab. Der durchschnittliche Systemwirkungsgrad bezogen auf den Heizwert betrug ca. 45 %. Der Systemwirkungsgrad kann beispielsweise durch eine optimierte Betriebsführung und ein geeignetes Verhältnis der Nennleistung des Elektrolyseurs zur
Nennleistung der Erzeugungsanlage optimiert werden.[11]
Standardbedingungen: 298,15 K; 1 bar. ↑
Siehe Stackdesign im Abschn. 3.2.1.2. ↑
Smolinka et al. 2011. ↑
Alcaline Electrolysis. ↑
Proton Exchange Membrane bzw. Polymer Electrolyte Membrane Electrolysis. ↑
Solid Oxide Electrolysis bzw High Temperature Electrolysis of Steam. ↑
Energieinstitut-Linz et al. 2014. ↑
Sterner und Stadler 2017, S. 361–364. ↑
Energieinstitut-Linz et al. 2014. ↑
ZSW 2014. ↑
Fraunhofer ISE 2014. ↑
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