PEM-Elektrolyse – Stand der Technik am F. Marangio et al., Int. J. Hydrogen Energy 34 (2009),...

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  • PEM-Elektrolyse – Stand der Technik am DLR Fabian Burggraf, Aldo Gago, Christoph Noack, Svenja Kolb, Andreas Friedrich, Josef Kallo Stuttgart, 12.März.2014

  • Thematische Ausrichtung Elektrochemische Systeme am DLR

    Elektrolyse- systeme

    Brennstoffzellensysteme

    NT/HT-PEM Systeme (80kW) • Modularität, Effizienz, Regelung

    Batteriesysteme

    LiFePO4, Li-ION (150kW) • Degradation,BMS, Effizienz

    Hybrid Systeme, Powermodul (50kW)

    elektrische Last

    M DC

    AC

    Brennstoffzellen- system

    Batteriesystem

    PSOFC, PSOEC Hybridkraftwerk,

    • Regelung • Effizienz • Degradation • (50kW/1MW)

    • Regelung • Effizienz • Kosten

    • p < 8 bar • SOFC + GT • Effizienz • 35kW

    Luftfahrt-Anwendungen Elektromobilität Stationäre Anwendungen

  • Belastung der Stromnetze Quelle: Deutsche Umwelthilfe

    Herausforderungen: • Leistungsschwankungen • Anlagen Größenordnung x00 MW

    Bruttostromerzeugung 2013 2030

    gesamt 615 TWh 620 TWh

    davon Windenergie 50 TWh 150 TWh

    davon Solarenergie 28 TWh 45 TWh

    Technische Motivation „Speichergas“

    Bruttostromerzeugung aus erneuerbaren Energien in Deutschland Quelle: BMWI

    Monatliche Energieproduktion maximal minimal

    Windenergie 7.5 TWh 1.7 TWh

    Solarenergie 5.1 TWh 0.35 TWh

    Stromerzeugung aus Solar- und Windenergie 2013 Quelle: Fraunhofer ISE

  • Übersicht der PEM Elektrolysetätigkeiten am DLR 2014 ff Ex

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    Plan-DelyKaD (BMWE) 14 Monate

    Identifizierung geeigneter „Speichergas“-Standorte  Lastenheft DLR TT-STB

    KompElSys (BMVI) 3 Jahre

    Modellierung + Validierung relevanter Elektrolysehardware

    LastElSys (BMUB) 3 Jahre

    Verbesserung der Effizienz und Dauerhaltbarkeit im intermittierenden Betrieb

    WESpe (BMWE) 3,5 Jahre

    Modellierung + Validierung relevanter Elektrolysehardware DLR TT-STB

    Talstraße (LMU BW) 3 Jahre

    PEM-Elektrolyse zur Verbesserung der Versorgung von H2-Tankstellen

    St ud

    ie

    Ü be

    rs ic

    ht

    http://www.solarify.eu/wp-content/uploads/2013/01/Fraunhofer-ISE-logo.png http://www.dailygreen.de/wp-content/uploads/2009/11/eon-logo.jpg http://www.umicore.jp/ja/productsUmsj/nanoMaterialsFuelCells/fuelCells/solviCore2.jpg http://www.solarify.eu/wp-content/uploads/2013/01/Fraunhofer-ISE-logo.png http://www.chfca.ca/media/Hydrogenics(1).jpg http://www.chfca.ca/media/Hydrogenics(1).jpg http://www.solarify.eu/wp-content/uploads/2013/01/Fraunhofer-ISE-logo.png http://www.gruenekarriere.info/wp-content/uploads/2012/09/logo_btu.jpg http://www.dbi-gut.de/typo3conf/ext/template/Resources/Public/img/logo_gut.gif http://www.presseportal.de/bild/22521-logo-pressemitteilung-deutsche-umwelthilfe-e-v.jpg http://www.chfca.ca/media/Hydrogenics(1).jpg http://www.eebus.org/fileadmin/Mediapool/800px-EnBW.svg.png

  • Plan-DelyKaD Studie über die Planung einer Demonstrationsanlage zur Wasserstoff-Kraftstoffgewinnung durch Elektrolyse mit Zwischenspeicherung in Salzkavernen unter Druck

    • Planung Gesamtsystem „Wasserstoff-Elektrolyse-Speicherung“ in relevanten Dimensionen (5MW, 100MW)

    • Verfügbarkeit von H2 als Kraftstoff im Verkehr, für die Industrie oder für private Haushalte

    KBB Underground Technologies in Zusammenarbeit mit Ludwig-Bölkow-Systemtechnik GmbH Fraunhofer ISE

  • Gasnetzbetreiber Deutschland

    Plan-DelyKaD - Herausforderungen

    Ziel:  Identifizierung geeigneter H2-“Speichergas“ Produktions- und Speicher Standorte  „Technische Lastenhefte“

    Deutsches Höchstspannungsnetz

    Quelle: Agentur für erneuerbare Energien

    Deutsches Gasnetz

    Quelle: BDEW

    Speicherkavernen: existent: 23 Mrd. m³ geplant: + 8 Mrd. m³

    Quelle: LBEG Hannover

  • LastElSys Lastwechselresistente MEAs für PEM-Elektrolysesysteme

    • Komponentenentwicklung: Entwicklung neuartiger Katalysatoren und MEAs für die Anwendung

    in PEM-Elektrolysesystemen

    • Ziel: Verbesserung der Effizienz und Dauerhaltbarkeit im intermittierenden Betrieb

    Fraunhofer ISE Hydrogenics

    In Zusammenarbeit mit

  • LastElSys

    10 Zeller - 100 cm2 – 20 kWel PEM- Elektrolyseur-Stack Individuelle Potenziale

    Katalysator- beschichteten

    Membranen (CCM)

    PEM-Elektroysetechnik Angestrebter Ausbau der Vorteile:

    • Teillastfähigkeit • hoher Wirkungsgrad • Überlastfestigkeit

    Nachteil: • Degradation der Katalysatorschichten im dynamischen Betrieb

    Ziel des Projekts

    • Verbesserung der Stabilität des Anodenkatalysators Trägerung von Ir auf leitfähigen Oxiden  Verminderung der Degradation den Elektroden und Bipolarplatten

    • Verbesserung des Wirkungsgrades Verringerung des Einflusses der Peripheriekomponenten

  • LastElSys 20 kWel test station

    • No pinholes observed

    • [Fe2+] = 0 at the end of the test

    @ 2 V, pH = 0, 80 ºC

    Patent pending 102013213015.5 DE

    Dichte Titanbeschichtungen zum Korrosionsschutz von Edelstahl Bipolarplatten

    VPS Kammer

    Nass-Trocken- Zyklierung zur Untersuchung lokaler Degradationseffekte

    Ir/Sb2SnO5 (Sintef)

    Katalysatoren

    System

    Beschichtungen

    Screening von State-of-the-art und neuen Katalysatoren in kontrollierter Umgebung

    • Entwicklung preiswerter und langlebiger Komponenten für PEM- Elektrolysesysteme

    • Verbesserung der Dauerhaltbarkeit

  • KompElSys und WESpe – Modellierung und Validierung mit relevanter Hardware

    → Erstellung eines betriebszustandsorientierten Degradationsmodells → Validierung relevanter Elektrolyse-Hardware Komponenten (1500cm2 – Stack) → Thermische und elektrische Anlagenoptimierung und Lebensdauervorhersage

    Brandenburgische Technische Universität DBI Gas und Umwelttechnik GmbH Deutsche Umwelthilfe DLR-TT Systemanalyse und Technikbewertung E.ON Gas Storage GmbH

    Fraunhofer ISE Hydrogenics Solvicore

    In Zusammenarbeit mit

  • KompElSys und WESpe Modellierung - Vorgehensweise Modellaufbau PEM Elektrolyse

    EC und VT Grundlagen Statisches Elektrolyseur-Modell Statisches System-Modell

    Dynamik und Zyklierung Thermische und elektrische Anlagenoptimierung

    Dynamisches Modell

  • KompElSys und WESpe: Modellierung – Semi-empirisches Modell eines PEM-EL

    𝐸 𝑇,𝑝 = 𝐸0 + η𝐴 − η𝐶 + η𝑜𝑜𝑜 + η𝑜𝑚𝑜 η𝐴,𝐶 : Anoden/Kathoden-Überspannungen η𝑜𝑜𝑜: Ohm‘sche Überspannungsbeiträge η𝑜𝑚𝑜: Membranbeiträge zur Überspannung

    𝑅𝐴,𝐶 : Anoden/Kathoden-Widerstände 𝑅𝑜𝑚𝑜: Membranwiderstand 𝑅𝑆: sonstige Ohm‘sche Beiträge

    Fabian Burggraf

  • KompElSys und WESpe: Modellierung – Membranleitfähigkeit und Netzwerktheorie

    F. Marangio et al., Int. J. Hydrogen Energy 34 (2009), 1143

    η𝑜𝑜𝑜 = η𝑜𝑜𝑜,𝑜𝑚𝑜 + η𝑜𝑜𝑜,𝑚𝑒𝑚𝑒 = 𝑅𝑜𝑚𝑜𝐼 + 𝑅𝑎𝑎 + 𝑅𝑒𝑎𝑐 I = 𝑅𝑂𝑜𝑜𝐼

    R. Yadav et al., J. Electrochem. Soc. 159 (2012), B340

    Detailmodel für 𝑹𝒂𝒂 und 𝑹𝒄𝒂𝒄:

    Leitfähigkeit einer Nafion117 Membran:

  • KompElSys und WESpe: Modellierung – Befeuchtung, Medienverbrauch, Stoffströme

    𝜕𝑛𝑂2 𝜕𝜕 = 𝐽𝑂2,𝑖𝑎 − 𝐽𝑂2,𝑜𝑜𝑐 +

    𝑛 𝐼(𝜕) 4𝐹 η𝐹

    𝜕𝑛𝐻2 𝜕𝜕 = 𝐽𝐻2,𝑖𝑎 − 𝐽𝐻2,𝑜𝑜𝑐 +

    𝑛 𝐼(𝜕) 2𝐹 η𝐹

    𝜕𝑛𝐻2𝑂 𝜕𝜕

    𝐶𝑎𝑐 = −𝐽𝐻2𝑂,𝑜𝑜𝑐 −

    𝑛 𝐼(𝜕) 2𝐹 η𝐹 + 𝐽𝑚𝑜𝑒 + 𝐽𝑒𝑖𝑑𝑑

    𝜕𝑛𝐻2𝑂 𝜕𝜕

    𝐴𝑎 = 𝐽𝐻2𝑂,𝑖𝑎 − 𝐽𝐻2𝑂,𝑜𝑜𝑐 −

    𝑛 𝐼(𝜕) 2𝐹 η𝐹 − 𝐽𝑚𝑜𝑒 − 𝐽𝑒𝑖𝑑𝑑

    Gaserzeugung

    Wasser-Handling

    𝐸 𝑇,𝑃 → 𝐸(𝑇,𝑝, 𝜕)

    𝐽𝑚𝑜𝑒: Elektro-Osmotischer Fluss 𝐽𝑚𝑜𝑒: Wasserdiffusion durch die Membran

  • KompElSys und WESpe: Modellierung – Anlagensimulation: Spezifikation der Komponenten

    Berücksichtigung der Wärmekapazitäten und Wärmeströme (Aspen Plus)

  • KompElSys und WESpe: Modellierung – Dynamisches Modell eines PEM-EL - Temperaturgang als Ergebnis  Systemauslegung

    𝐶𝑝 𝑑𝑇 𝑑𝜕 =

    𝑑𝑑𝑔𝑚𝑎 𝑑𝜕 −

    𝑑𝑑𝑒𝑜𝑙𝑙 𝑑𝜕 −

    𝑑𝑑𝑒𝑜𝑜𝑒 𝑑𝜕

    𝑑𝑔𝑚𝑎: generierte Abwärme 𝑑𝑒𝑜𝑙𝑙: Wärmeverlust an Umgebung 𝑑𝑒𝑜𝑜𝑒: Kühlung

  • KompElSys und WESpe 25-50 kWel Teststand

    Elektrolyse-Container 50kW (Mitte 2014)

    Large area stack

    Nass-Trocken Zyklierung, Effizie