Energie speichern mit Wasserstoff – neue Lösungen für die Energiewende

Mit dem Ausbau der erneuerbaren Energien nehmen die Schwankungen bei der Stromerzeugung zu. Zum Ausgleich werden Speicher benötigt, die große Mengen Energie über einen längeren Zeitraum aufnehmen können. Wasserstoff ist hierfür mit seiner hohen Energiedichte optimal geeignet.

„Die Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie besitzt ein enormes Potenzial für die effizientere Nutzung und großskalige Speicherung von Energie. Wir arbeiten daran, die Grundlagen dafür zu schaffen, die klimaneutrale Technologie in immer mehr Anwendungsbereichen auch wirtschaftlich wettbewerbsfähig zu machen. Dazu optimieren wir die gesamte Produktionskette vom gezielten Werkstoffdesign bis hin zur Entwicklung neuer Herstellungsverfahren und anwendungsnaher Systemlösungen“, erklärt Dr. Bernd Emonts vom Jülicher Institut für Energie- und Klimaforschung, Elektrochemische Verfahrenstechnik (IEK-3).

PEM-Elektrolyseure für Wind- und Sonnenstrom

Die Gewinnung von Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser und Elektrizität durch Elektrolyse ist ein seit über 100 Jahren etabliertes Verfahren. Aus wirtschaftlichen Gründen wird heute nur ein kleiner Teil des Wasserstoffs auf diese Weise erzeugt, in der Regel durch sogenannte alkalische Elektrolyseure. Wissenschaftler des Instituts für Energie- und Klimaforschung (IEK-3) arbeiten ausgehend von ihrer Expertise in der Erforschung und Entwicklung von Brennstoffzellen mit einer protonenleitenden Polymermembran (PEM) an einem neuen Elektrolyse-Verfahren. Die PEM-Elektrolyse soll es erleichtern, kompakte, überlastfähige Anlagen zu errichten. Gleichzeitig verspricht sie eine höhere Leistungsdichte und einen höheren Wirkungsgrad.

PEM-Elektrolyseure arbeiten auch dann noch effizient, wenn infolge ungünstiger Wetterbedingungen nur wenig Strom zur Verfügung steht. Umgekehrt ist die Technologie dafür ausgelegt, extreme Überlasten aufzunehmen. Somit könnte sie etwa dazu beitragen, Lastspitzen abzubauen, wenn starker Wind weht. Ein Vorteil, der nicht nur der Stromausbeute zugutekommt, sondern auch der Netzstabilität.

Blockheizkraftwerk mit Brennstoffzellen

Mini-Kraftwerke im Heizungskeller können Gebäude unabhängig vom Stromnetz mit Wärme und Elektrizität versorgen. Durch die gekoppelte Strom- und Wärmeproduktion erreichen sie teilweise einen Gesamtwirkungsgrad von über 90 Prozent. Neuartige Blockheizkraftwerke mit Brennstoffzellen arbeiten dabei im Bereich der Stromerzeugung deutlich effizienter als konventionelle Gasmotoren. Insbesondere dieser gute elektrische Wirkungsgrad kommt dem Trend nach vermehrtem Strom- und weniger Wärmebedarf entgegen.

Um sie wettbewerbsfähig zu machen, haben Jülicher Verfahrenstechniker ein Testsystem mit oxidkeramischen Hochtemperatur-Brennstoffzellen (engl. Solid Oxide Fuel Cell; SOFC) und einer Leistung von 20 kW entwickelt. Es besteht aus vier Sub-Modulen, die für eine kostengünstige Serienfertigung optimiert sind. Die verschiedenen Module – bestehend aus Brennstoffzellen-Stacks, Wärmetauscher und Vorreformer zur Brennstoffaufbereitung – sind so ausgelegt, dass sie sich ohne Rohre einfach aufeinanderstapeln lassen.

Umweltfreundliche Bordstromversorgung

Mit 3 bis 10 kW benötigen Trucks und Kühlwagen im Schnitt genauso viel Energie wie ein Mehrfamilienhaus. Jülicher Wissenschaftler haben ein Brennstoffzellensystem entwickelt, das diesen Bedarf während der Fahrpausen ohne laufenden Motor decken kann – deutlich leiser und effizienter als die gelegentlich zu diesem Zweck eingesetzten Generatoren.

Derzeit erproben sie am Institut für Energie- und Klimaforschung (IEK-3) ein Testsystem mit einer elektrischen Leistung von 5 kW. Ein vorgeschalteter Reformer wandelt den Flüssigkraftstoff, den Diesel, für die eingesetzten Hochtemperatur-Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen (HT-PEFC) in Wasserstoff um.

Batterieersatz für Notstromaggregate und Service-Roboter

Direktmethanol-Brennstoffzellen (DMFC) können Methanol ohne zusätzliche Aufbereitung in einem Reformer direkt in elektrischen Strom umwandeln. Der Brennstoff ist flüssig und damit einfach zu handhaben und leicht in größeren Mengen zu lagern. Daher eignet sich dieser Brennstoffzellentyp insbesondere als Batterieersatz für mobile Anwendungen und abgelegene Einsatzorte, die nicht ans Stromnetz angeschlossen sind.

Sollte der Brennstoff doch einmal zur Neige gehen, müssen die Systeme nicht langwierig aufgeladen werden – sie lassen sich einfach wieder auftanken. Am Jülicher Institut für Energie- und Klimaforschung entwickelte DMFC Systeme werden derzeit für verschiedene Anwendungen getestet, etwa für die Notstromversorgung von Mobilfunkstationen, die auch längere Zeiträume überbrücken kann, oder für Serviceroboter in Logistikzentren.

Das Forschungszentrum zeigt auf der Hannover Messe vom 7. bis zum 11. April 2014, wie sich der klimafreundliche Energieträger mithilfe von PEM-Elektrolyseuren noch effizienter aus Wind- und Solarstrom gewinnen lässt. An Stand C68 in Halle 27 werden außerdem innovative Testsysteme mit Brennstoffzellen präsentiert, die entwickelt wurden, um im Haus-, Fahrzeug- und Industriesektor hocheffizient Energie bereitzustellen.

(Forschungszentrum Jülich, 02.04.2014 – AKR)