Mit Technologietransfer die Energiewende vorantreiben

Im Projekt „ecoPtG“ werden die Erfahrungen aus der Automobilindustrie für die Entwicklung kostengünstiger Elektrolyseure genutzt2

Der Ertrag erneuerbarer Energien wie Wind oder Sonne fluktuiert stark und lässt sich nicht an den aktuellen Stromverbrauch anpassen. Darum sind künftig Zwischenspeicher gefragt, die Angebot und Nachfrage miteinander in Einklang bringen. Hier bietet sich Wasserstoff als Energieträger an. IAV arbeitet gemeinsam mit Partnern an einem alkalischen Wasserelektrolyseur mit einer Leistung von 100 Kilowatt, der vom Technologietransfer aus der Automobilentwicklung profitieren soll.

Heute richten sich zentrale Großkraftwerke nach den bekannten Verbrauchsmustern von privaten Haushalten oder Unternehmen. Sonne und Wind nehmen nicht so viel Rücksicht. Es gibt bereits jetzt große Überschüsse: „Beim Einspeisemanagement hat sich die Menge der Ausfallarbeit von 555 Gigawattstunden im Jahr 2013 auf 1.581 Gigawattstunden im Jahr 2014 laut Monitoringbericht der Bundesnetzagentur fast verdreifacht. Eine weitere signifikante Erhöhung wird für die Zukunft erwartet, denn bereits in der ersten Jahreshälfte 2015 wurde etwa die Ausfallarbeit von 2014 erreicht“, berichtet Dr. Christopher Severin, Abteilungsleiter Systementwicklung und Konzepte Brennverfahren bei IAV. „Hinzu kommt das große Nord-Süd-Gefälle zwischen Erzeugung und Verbrauch. All das führt dazu, dass wir in Zukunft neue Speichertechnologien für den gerade nicht benötigten Strom brauchen.“

Wasserstoff ist dafür ein idealer Energieträger: Er lässt sich relativ unkompliziert per Elektrolyse aus Wasser und Strom herstellen und auf vielfältige Art und Weise speichern oder weiterverarbeiten. Wasserstoff kann entweder „rückverstromt“ werden, kommt als Brennstoff für Brennstoffzellen infrage, ist ein begehrter Rohstoff in der chemischen Industrie und lässt sich per „Methanisierung“ in Methan umwandeln – eine Art synthetisches Erdgas – , das in das große deutsche Erdgasnetz mit seiner gewaltigen Speicherkapazität eingespeist werden kann. Zudem bildet er die Grundlage zur stromgenerierten Herstellung flüssiger Kraftstoffe, die in Verbrennungsmotoren oder Flugtriebwerken eingesetzt werden.

Low-Cost-Elektrolyseur mit 100 Kilowatt Leistung

Bisher sind insbesondere kleinere Elektrolyseure für die „Power to Gas“-Technologie noch zu teuer. Das will IAV gemeinsam mit seinen Partnern, dem Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) in Stuttgart, dem Reiner Lemoine Institut (RLI) in Berlin und der Wasserelektrolyse Hydrotechnik GmbH aus Karlsruhe, ändern: Im Rahmen des Förderprojektes „ecoPtG“ entwickeln die Forscher und Ingenieure einen alkalischen Wasserelektrolyseur mit einer Leistung von 100 Kilowatt. Um die Kosten zu senken, setzen sie dabei auf Erfahrungen und Komponenten, die sich bereits im Automobilbau bewährt haben. Das liegt nahe, denn viele Anforderungen gleichen sich tatsächlich sehr. „Mit 100 Kilowatt entspricht die Leistung des Elektrolyseurs in etwa den Leistungen in Hybrid- und Elektrofahrzeugen“, sagt Severin. „Darum wollen wir Synergieeffekte nutzen – etwa bei der Leistungselektronik, Steuerung und Sensorik sowie verfahrenstechnischen Komponenten, zum Beispiel für die Temperierung und Medienkreisläufe.“ So arbeitet in jedem elektrifizierten Antriebsstrang ein Wandler, der die rekuperierte Bremsenergie für die Batterie aufbereitet. Genau das ist auch bei den Energiespeichern gefragt: Die Wechselspannung aus dem Stromnetz muss für den Elektrolyseur gleichgerichtet werden. Das können Wandler aus dem AutomotiveBereich ebenso gut wie die teureren Industrie-Gleichrichter.

Allerdings arbeiten die Komponenten unter deutlich anderen Randbedingungen als im Fahrzeug: Sie sind fast dauernd im Einsatz und müssen zum Teil andere Ströme bewältigen. Darum lässt sich die Technik nicht ohne Weiteres in der Energietechnik einsetzen. „Wir setzen darum auf eine Neuentwicklung mit Basisbausteinen aus dem Automobilbereich, die sich zudem für mehrere Anwendungen eignet“, erklärt Severin. „Die Leistungselektronik könnte nicht nur den Elektrolyseur ansteuern, sondern auch an Parkplätzen E-Autos aufladen oder die Speicherbatterien in Smart Homes versorgen.“ Auch die leistungsfähigen Steuergeräte von IAV lassen sich für den Einsatz in den neuen Elektrolyseuren nutzen.

Komponenten und Methoden aus dem Automobilbau

Neben der Elektronik soll auch die Mechanik des neuen Elektrolyseurs von den Erfahrungen der Automobilentwickler profitieren. So ließen sich seine Zellrahmen statt aus Metall auch aus wesentlich günstigerem Kunststoff herstellen, zudem könnte man vorhandene Fahrzeugkomponenten wie Leitungen oder Abscheider für die Verfahrenstechnik des Elektrolyseurs einsetzen. Hinzu kommen die bewährten Entwicklungsmethoden aus der Automobilindustrie, die bestens bewährt und auch für den Einsatz in der Energietechnik geeignet sind. Und schließlich steht mit dem IAV-Energiecontainer eine robuste Unterbringungsmöglichkeit für das System zur Verfügung, die sich beispielsweise für eine modular erweiterbare Wasserstofftankstelle anbietet.

Seit November 2015 arbeiten die Partner gemeinsam im Projekt „ecoPtG“. Die Konzeptphase ist abgeschlossen und grundlegende Parameter wie etwa die Zellfläche und Stromdichte des Elektrolyseurs sind definiert. Derzeit laufen erste Grundlagenuntersuchungen zu möglichen Materialien und ab dem zweiten Halbjahr 2016 soll die Leistungselektronik entwickelt werden. Sie wird – ebenso wie die erste Version des Elektrolyseblocks – Mitte 2017 zur Verfügung stehen und dann am ZSW in Betrieb genommen. Das Projekt endet im Oktober 2018, bis dahin soll es eine zweite Version des Elektrolyseurs geben, die in den IAV-Energiecontainer integriert ist. Zudem wollen die Projektpartner bis dahin eine simulationsgestützte Marktpotenzialund Betriebskonzeptanalyse vorlegen.

System lässt sich modular erweitern

„Unser Low-Cost-Elektrolyseur der 100Kilowatt-Klasse soll 4 bis 35 Kilogramm Wasserstoff pro Tag produzieren“, sagt Severin. „Durch seine Modularisierbarkeit erlaubt er einen bedarfsgerechten Zubau, zum Beispiel an Wasserstofftankstellen: Noch gibt es kaum Brennstoffzellenfahrzeuge, sodass man viele kleine Elektrolyseure flächendeckend und kostengünstig verteilen kann. Sobald die Nachfrage steigt, lässt sich der Elektrolyseur modular erweitern und an den Bedarf anpassen.“ So leistet die Technik nicht nur einen Beitrag zur Energiewende, sondern auch zur Dekarbonisierung des Straßenverkehrs.

Das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie fördert das Projekt „ecoPtG“ mit insgesamt rund 4,75 Millionen Euro. IAV übernimmt neben der Projektkoordination auch die Leitung der Arbeitspakete Kostenanalyse und Konzeptentwicklung, Systemintegration sowie Peripherie des Elektrolyseurs.