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

MDC

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

perim

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Mod

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rung

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

Stud

ie

Übe

rsic

ht

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

𝐶𝑝𝑑𝑇𝑑𝜕 =

𝑑𝑑𝑔𝑚𝑎𝑑𝜕 −

𝑑𝑑𝑒𝑜𝑙𝑙𝑑𝜕 −

𝑑𝑑𝑒𝑜𝑜𝑒𝑑𝜕

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, Effizienzuntersuchung

Ergebnisse fließen in Betriebsweise eines 1MW E.ON Elektrolyseurs (Reitbroock)

Projekt Talstraße

• Bereitstellung von Wasserstoff aus PEM-Elektrolyse zur Verbesserung der Versorgung von H2-Tankstellen, vergleich mit Alkali-Elektrolysesystem

• Integration und realistischer Betrieb eines neuen PEM Systems • Technologiebewertung und Vergleich verschiedener Zwischenspeichermöglichkeiten

Tankstelle

Großspeicher

Druckspeicher

Niederdruck-

Speicher

In Zusammenarbeit mit EnBW Hydrogenics

Projekt Talstraße Skizze + erwartete Ergebnisse 2015

Vergleich Speichertechnologien im dynamischen Betrieb

PEM

Alkali

− Überlast: Netzspitzen − Dynamik: neg. Regelleistung

Konstante Grundlast → Langlebigkeit → Kosten

bedarfsgerechte H2-Erzeugung (Berufsverkehr)

H2

Gaseinspeisestelle

Kopplung

• Kostenvergleich im Parallelbetrieb beider Elektrolysetechniken • Dynamik und Gasreinheit unter realen Bedingungen • Technologievergleich Lastenheft für x00MW Anlagen

Vielen Dank für die Aufmerksamkeit!

Dr.-Ing Josef Kallo Josef.Kallo@dlr.de + 49 711 6862 672