Wasserstofferzeugung und -speicherung
Profil des Marktbereichs
Der Betrieb von Brennstoffzellensystemen erfordert Wasserstoff als Brennstoff. Im Marktbereich Wasserstofferzeugung und -speicherung bieten wir Lösungen an durch:
- Elektrolyse von Wasser. Der ökologische Kreislauf kann dabei durch den Einsatz regenerativer Energien wie Wind, Wasser und Sonne zur Stromerzeugung geschlossen werden.
- oder durch katalytische Umsetzung (Reformierung und Pyrolyse) wasserstoffreicher Energieträger. Dafür kommen fossile Brennstoffe wie Erdgas, Flüssiggas, Benzin, Diesel, Kerosin oder Heizöl sowie biogene / regenerative Energieträger wie Biogas, Holz, Bio-Ethanol oder Rapsöl in Frage.
- Zur energetischen Nutzung von Biomasse entwicklen wir Festbettvergasungsverfahren, Pyrolyseverfahren und Verfahren zur Flüssigphasenreformierung.
In unseren Entwicklungen arbeiten wir eng mit den Geschäftsfeldern Energieeffiziente Gebäude und Gebäudetechnik und Regenerative Stromversorgung zusammen.
Projekte Reformierung
Reformierung gasförmiger Brennstoffe
Reformierung flüssiger Brennstoffe
Portable Reformer
Rückstandsfreie Verdampfung
Referenzprojekte
Die katalytische Umwandlung (Reformierung) leicht verfügbarer Brennstoffe in Wasserstoff ermöglicht den Einsatz von Brennstoffzellen, auch wenn kein reiner Wasserstoff verfügbar ist. Neben der Reformierung fossiler Brennstoffe wie Erdgas, Flüssiggas, Benzin, Diesel, Kerosin oder Heizöl verfolgen wir regenerative Versorgungspfade durch Nutzung von Biobrennstoffen wie Klär- oder Deponiegas, Methan, Bio-Alkoholen, Rapsöl oder Holz. Maßgeschneidert auf die Kundenanforderungen bieten wir Komponenten und Komplettsysteme inklusive Reformer, Gasaufbereitung, Regelungssystem und Sicherheitstechnik sowie Katalysatortest an.
Reformierung gasförmiger Brennstoffe
Gasförmige Brennstoffe sind aus dem Alltag bekannt und häufig weltweit verfügbar: Viele Haushalte verfügen über einen Erdgasanschluss, Flüssiggas ist im Camping Standard und die Nutzung von Biogas nimmt seit Jahren stark zu. Durch Reformer können diese wasserstoffreichen Brenngase in reinen Wasserstoff umgewandelt werden und dieser mit hoher Effizienz mit Hilfe von Brennstoffzellen in Form von Strom und Wärme genutzt werden.
Wir entwickeln für die jeweilige Anwendung geeignete Reformierreaktoren und beherrschen dabei alle gängigen Verfahren: Dampfreformer (STR - steam reformer), partielle Oxidation (POX - partial oxidation) und autotherme Reformer (ATR - autothermal reformer). Außerdem entwickeln wir Pyrolysereaktoren.
Damit das Reformatgas in einer Niedertemperatur-Brennstoffzelle genutzt werden kann, muss der Gehalt an Kohlenmonoxid auf unter 50 ppm gesenkt werden. Hierzu entwickeln wir Shift-Reaktoren sowie Reaktoren zur selektiven Methanisierung, selektiven Oxidation oder Druckwechseladsorption. Bei Bedarf setzen wir auch Membranverfahren ein.
Unsere Entwicklungen führen wir in der Regel in enger Zusammenarbeit mit den führenden Katalysatorherstellern durch.
Im Auftrag namhafter Hersteller haben wir bereits Prototypen für Wasserstofftankstellen, die Hausenergieversorgung und Campingmobile entwickelt.
Reformierung flüssiger Brennstoffe
Flüssige Brennstoffe haben einige Vorteile gegenüber gasförmigen Brennstoffen in Bezug auf Handling und Logistik. Die Verbraucher sind im Umgang mit Flüssigkeiten geschult - von der Tintenpatrone bis hin zum Benzinkanister. Darüber hinaus existiert für viele Brennstoffe eine weltweite Infrastruktur: Ethanol wird in Form von Spiritus in jedem Baumarkt vertrieben, Benzin und Diesel gibt es an jeder Tankstelle. Kerosin ist der gängige Treibstoff für Flugzeuge. Einige Brennstoffzellenfirmen vertreiben auch Methanol in Eigenregie.
Um Effizienztechnologien wie die Brennstoffzelle in den Markt einzuführen, wird sinnvollerweise auf etablierte, leicht verfügbare, flüssige Brennstoffe zurückgegriffen, die einfach handzuhaben sind. Hierzu entwickeln wir die notwendigen Reformierverfahren zur Wasserstofferzeugung:
Partielle Oxidation (partial oxidation - POX), Dampfreformer (steam reforming - STR) und autotherme Reformer (autothermal reforming - ATR). Außerdem entwickeln wir Pyrolysereaktoren.
Viele flüssige Brennstoffe sind schwefelhaltig, deshalb beschäftigen wir uns mit Entschwefelungsverfahren. Zur brennstoffzellentauglichen Aufbereitung des Reformatgases entwickeln wir Shift-Reaktoren, Verfahren zur selektiven Methanisierung, zur selektiven Oxidation und setzen Membrantrennverfahren ein.
Unsere Entwicklungen führen wir in der Regel mit den führenden Katalysatorherstellern durch und wählen so auf Grundlage von Dauertests den jeweils geeigneten Katalysator aus.
Wir haben bereits erfolgreich Reformersysteme für Ethanol, Schiffsdiesel, Kerosin im Leistungsbereich von wenigen hundert Watt bis mehrere kW entwickelt.
Brennstoffzellen werden insbesondere auch für portable, netzunabhängige Stromverbraucher favorisiert. Da Wasserstoff nicht überall und für jeden verfügbar ist, gilt es, andere Brennstoffe zu nutzen.
Wir entwickeln portable Reformersysteme, die aus gasförmigen oder flüssigen Brennstoffen wie Flüssiggas, Ethanol, Benzin oder Diesel Wasserstoff erzeugen. Dieser kann mit Brennstoffzellen in Strom und Wärme gewandelt werden. Dabei stehen uns alle Technologien für die Reformierung inklusive Katalysatorentwicklung, Gasaufbereitung, Sicherheits- und Regelungstechnik zur Verfügung.
Unsere Reformersysteme integrieren wir auch in ein Gesamtsystem mit Brennstoffzelle, Batterie und Powermanagement.
Zusammen mit unseren mittelständischen Industriepartnern entwickeln wir ein PEM-Brennstoffzellensystem mit einer elektrischen Leistung von 300 W in Kombination mit einem systemintegrierten Ethanol-Reformer.
Diesel ist ein weltweit gebräuchlicher Kraftstoff. Diesel wird in Verbrennungsmotoren für mobile Antriebe oder in Dieselaggregaten zur netzunabhängigen Stromversorgung eingesetzt. Auch für viele Brennstoffzellen-Applikationen ist Diesel in Kombination mit einem Reformer zur Wasserstofferzeugung der ideale Brennstoff.
Zur optimalen Dosierung und Reaktionsführung ist eine gasförmige Zufuhr des Brennstoffs wünschenswert. Diesel bildet jedoch typischerweise Rückstände bei der Verdampfung - im Gegensatz zu anderen Kohlenwasserstoffen.
Wir haben zusammen mit einem schweizer Ingenieurbüro ein patentiertes Verfahren entwickelt, das Diesel ohne Bildung von Rückständen oder Ruß in die Gasphase überführt. Dabei wird ein geringer Teil des Diesels an einem Katalysatornetz verbrannt und die erzeugte Wärme zur Verdampfung genutzt.
Zur Wasserstofferzeugung haben wir hinter den Dieselverdampfer einen Reaktor zur katalytischen partiellen Oxidation (CPOX) geschaltet. Die CPOX weit ein kompaktes Design auf, benötigt kein Wasser und ermöglicht dynamische Lastwechsel. Bei der CPOX bilden sich ebenfalls keine Rückstände. Alternativ kann ein autothermer Reformer eingesetzt werden.
Zusammen mit deutschen Unternehmen der Heizungs- branche haben wir Erdgas-Reformer-Systeme auf Basis der Dampfreformierung für Brennstoffzellen-Heizgeräte entwickelt.
Für Freizeitanwendungen demonstrierten wir für einen deutschen Ausstatter von Campingmobilen erfolgreich die Reformierung von Flüssiggas.
Für die Bordstromversorgung von Flugzeugen haben in einem Konsortium mit Airbus und Liebherr-Aerospace ein Testsystem mit einer 5 kWel-Feststoffoxid-Brennstoffzelle für die Wasserstofferzeugung aus Kerosin aufgebaut. Zusätzlich integrierten wir eine kompakte Entschwefelungseinheit.
Ansaldo Fuel Cells S.p.A. beauftragte uns mit der autothermen Reformierung von Diesel für eine Auxiliary Power Unit auf Schiffen. Der Reformer versorgt eine Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle mit einer Leistung von 20 kWel.
Zusammen mit einem Industriekonsortium aus vorwiegend mittelständischen Partnern entwickeln wir ein 300 Wel-PEM-Brennstoffzellensystem in Kombination mit einem portablen Ethanolreformer.
Unser patentierter Dieselverdampfer ermöglicht die zuverlässige und rückstandsfreie Verdampfung von Diesel. In Kombination mit einem POX-Reformer haben wir eine kompakte Einheit zur Wasserstofferzeugung aus Diesel entwickelt.
Projekte Elektrolyse
In unserem Marktbereich Brennstoffzellen-Anlagen und Wasserstofferzeugung bieten wir unseren Partnern aus Industrie und Wissenschaft Forschungs- und Entwicklungsleistung oder auch Beratung zu Komponenten und kompletten Wasserstoffanlagen an.
Wasserstoff und Sauerstoff können effektiv und mit hoher Reinheit durch Elektrolyse hergestellt werden. Hierfür entwickeln wir Elektrolyseure auf Basis von Polymerelektrolytmembranen (PEM oder Solid Polymer Electrolyte (SPE)) mit Durchsätzen von wenigen Nl/h bis zu mehreren Nm³/h Wasserstoff und Betriebsdrücken bis 30 bar. Wir realisieren Komplettsysteme inklusive Wasserzufuhr und -aufbereitung, Gastrennung, -trocknung und -speicherung sowie Sicherheitstechnik.
DruckelektrolyseWir entwickeln PEM-Elektrolyseure für die Erzeugung von einem bis mehreren hundert Litern Wasserstoff und Sauerstoff pro Stunde. Aufgrund der hohen Modularität lassen sich Größe und Durchsatz flexibel an die Anforderungen anpassen. Wenn der Wasserstoff nicht direkt verwertet, sondern gespeichert werden soll, dann bietet sich die Druckelektrolyse aus Gründen der Effizienz und Wirtschaftlichkeit an. Außerdem wird der Wassergehalt im Wasserstoff mit zunehmendem Betriebsdruck verringert.
PEM-Elektrolyseure haben wir bereits bis zu Drücken von 30 bar realisiert. Damit eignet sich dieses Verfahren hervorragend zur Verwendung von Metallhydridspeichern. Bei einer notwendigen weiteren Verdichtung auf z.B. 300 bar für Druckgasflaschen kann so auf die erste Kompressorstufe verzichtet werden.
Portable Elektrolyse
Wasserstoff wird für viele Anwendungen benötigt: z.B. in Laboren, für die Medizintechnik, zum Schweißen oder zur Versorgung von Brennstoffzellen. Doch nicht immer ist eine Druckgasflasche verfügbar oder hat eine ausreichend große Kapazität. Gefragt ist daher ein kompaktes Gerät mit einfacher Bedienung und minimalem Wartungsaufwand, das zuverlässig Wasserstoff bereitstellen kann.
Unter Leitung des Fraunhofer ISE und des Forschungszentrum GKSS hat ein Verbund aus sechs Unternehmen einen portablen PEM-Druckelektrolyseur zur Erzeugung von Reinstwasserstoff entwickelt. Der trockene Wasserstoff in Qualität 4.0 wird auf einem Druckniveau von 9,5 bar absolut zur Verfügung gestellt. Das Gerät ist insbesondere zur Befüllung von Metallhydridspeichern für Brennstoffzellenanwendungen geeignet.
Der Elektrolyseur arbeitet komplett automatisiert. Eine integrierte Gastrocknung garantiert einen wartungsarmen Betrieb. Bei Bedarf kann ein Ionenaustauschermodul eingesetzt werden, so dass auf die Verwendung von deionisiertem Wasser verzichtet werden kann.
Weiterhin ist es gelungen, die Fluidverteilerstruktur des Elektrolyse-Zellstapels im Spritzgussverfahren herzustellen, wodurch die Kosten und das Gewicht reduziertRegenerative Elektrolyse
Mit Wasserstoff als Energieträger ist eine komplett regenerative Energiewirtschaft denkbar. Dazu muss der Strom zur Wasserelektrolyse aus regenerativen Quellen wie Wasserkraft, Windkraft oder Photovoltaik stammen.
Wir entwickeln Wasserstofferzeugungssysteme auf Basis der PEM-Elektrolyse in Kombination mit regenerativen Stromgeneratoren.
Das 1992 aufgebaute Freiburger "Energieautarke Solarhaus" nutzte neben einer Batterie als Kurzzeitspeicher auch einen solar angetriebenen PEM-Elektrolyseur zur Wasserstoff- und Sauerstofferzeugung. Wasserstoff und Sauerstoff wurden in einer Brennstoffzelle in Strom und Wärme umgewandelt. Zusätzlich wurde Wasserstoff in einem eigens entwickelten Brenner zum Kochen verwendet.
1997 entwickelten wir eine Wasserstofftankstelle auf Basis eines Druckelektrolyseurs, der mit einem Photovoltaik-Generator betrieben wurde. Der Wasserstoff wurde in Drucktanks gespeichert und stand zur Betankung eines Automobils zur Verfügung, das mit einer Brennstoffzelle angetrieben wurde.
2005 entwickelten wir einen Druckelektrolyseur, der in Kombination mit einem Photovoltaik-Generator und einer Batterie die Energieversorgung für eine Telekommunikationsanlage sichert.
Die Minielektrolyse-Einheit wurde im Auftrag der Fa. Interpane Glasindustrie AG für gaschrome Fenster entwickelt. Diese werden zur Abschattung und als Blendschutz bei hoher Sonneneinstrahlung verwendet. Das Einfärben wird durch Umpumpen von wasserstoffhaltigem Trägergas in die mit Wolframoxid beschichtete Scheibe eingeleitet. Zum Entfärben wird das Trägergas mit Sauerstoff versetzt. Der Sauerstoff reagiert mit dem Wasserstoff zu Wasser und die Scheibe wird wieder vollständig transparent. Das Wasser steht dann auch wieder für die Elektrolyse zur Verfügung.
Dieser Elektrolyseur wird mit einer stark hygroskopischen Flüssigkeit betrieben, die die entstehenden Gase trocknet und darüber hinaus auch bei extrem niedrigen Außentemperaturen eine Kondensation im Fenster verhindert. In dieser Anwendung beträgt der Durchsatz 2,0 l/h Wasserstoff und 1,0 l/h Sauerstoff im Betrieb mit 12,5 W.
Das System wird geschlossen betrieben und ist komplett abgedichtet. Das Gerät ist vollständig wartungsfrei. Insbesondere ist kein Nachfüllen von Wasser notwendig. Es wird keine Regeneration von Trockenmittel erforderlich. Außerdem wird keine Zusatzenergie für die Trocknung benötigt. Die Elektrolysezelle wird aus einem speziellen Kunststoff im kostengünstigen Spritzgussverfahren hergestellt.
Wird Wasserstoff zur langfristigen Energiespeicherung favorisiert, so muss man üblicherweise einen Elektrolyseur zur Wasserstofferzeugung und eine Brennstoffzelle zur Umwandlung des Wasserstoffs in Strom und Wärme einsetzen. Um die Systemkomplexität zu verringern und kompaktere Einheiten zu erreichen, werden reversible Brennstoffzellen untersucht, die sowohl als Elektrolyseur als auch als Brennstoffzelle betrieben werden können. Anwendungsfelder sind autonome Energieversorgungssysteme und Systeme zur unterbrechungsfreien Stromversorgung mit langen Backup-Zeiten. Häufig werden reversible Brennstoffzellen in Kombination mit photovoltaischen Modulen betrieben. Somit wird eine autarke Energieversorgung erreicht.
Die Machbarkeit solcher Systeme konnten wir durch Demonstrationsprojekte seit dem Jahr 2001 zeigen. Bei der Entwicklung legen wir Wert auf eine hohe Betriebssicherheit auch für die Außenanwendung, die Abstimmung der Betriebsparameter auf die Anforderung der Speichersysteme und kostengünstige Lösungen bei allen Komponenten.
Damit die PEM-Zelle in beiden Betriebsarten einen hohen Wirkungsgrad erreicht, forschen wir an folgenden Fragestellungen:
- Es werden Katalysatoren untersucht, die für beide Betriebsarten geeignet sind.
- Es müssen Zellmaterialien gefunden werden, die im wechselnden Betrieb und trotz der sehr unterschiedlichen elektrochemischen Bedingungen stabil sind.
- Wir entwickeln Strukturen, die eine gute Wasserzufuhr und Gasabfuhr im Elektrolysebetrieb, bzw. umgekehrt im Brennstoffzellenbetrieb gewährleisten.
Im Geschäftsfeld Regenerative Stromversorgung ( Leistungselektronik & Regelungstechnik ) haben wir einen bi-direktionalen DC/DC-Wandler entwickelt, der einen energetisch effizienten Betrieb ermöglicht.
1997 zeigten wir eine komplett regenerative Energieversorgung mit Hilfe von solarer Wasserstofferzeugung für ein Automobil. Das Fahrzeug stellt das erste mit einer Brennstoffzelle angetriebene und vom TÜV zugelassene Automobil dar.
Seit dem Jahr 2000 forschen wir an reversiblen Brennstoffzellen, die entweder als Elektrolyseur oder als Brennstoffzelle betrieben werden können.
Im Auftrag der Interpane Glasindustrie AG realisierten wir einen Miniaturelektrolyseur in einem komplett geschlossenen System inklusive Gastrockung. Das System wurde in mehreren tausend Zyklen erprobt.
Seit 2003 arbeitet einer unserer 2 kWel-Elektrolyseure wartungsfrei am "Institutt for Energietekknik" in Norwegen.
2005 entwickelten wir einen 30 bar Druckelektrolyseur für die Energieversorgung einer Repeaterstation in der Telekommunikation mit einer Leistung von 1 kWel.
Im Jahr 2006 haben wir zusammen mit einem mittelständischen Industriekonsortium einen portablen Elektrolyseur zur Befüllung von Metallhydridspeichern entwickelt.
