Wasserstofftechnologie

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1 Wasserstofftechnologie

2 Wasserstoff Wasserstoff Energieträger für die Zukunft Prototyp eines am Fraunhofer ISE entwickelten Brennstoffzellensystems für professionelle Filmund Fernsehkameras. Das System hat die doppelte volumetrische Energiedichte verglichen mit einem Li-Ionen Akku gleicher Baugröße. Wasserstoff setzt bei der Reaktion mit Sauerstoff nutzbare Energie frei. In einer Brennstoffzelle wird der Energieinhalt von Wasserstoff kontrolliert und mit hohem Wirkungsgrad in elektrische Energie konvertiert, wobei auch die entstehende Wärme genutzt werden kann. Da Wasserstoff in der Natur nicht in Reinform vorliegt, muss er aus seinen chemischen Verbindungen gewonnen werden z. B. durch Elektrolyseverfahren mit regenerativ erzeugtem Strom oder durch Reformierung von biogenen und fossilen Brennstoffen. Nachhaltige und schadstofffreie Energiewandlung mit der Wasserstofftechnologie gilt als aussichtsreicher Bestandteil einer solaren Stromwirtschaft. Im Geschäftsfeld Wasserstofftechnologie erforschen wir am Fraunhofer ISE innovative Technologien zur Gewinnung sowie zur Umwandlung von Wasserstoff. Zusammen mit unseren Partnern aus Industrie und Wissenschaft entwickeln wir Komponenten und komplette Wasserstoff- Anlagen im Sinne einer kosteneffizienten und umweltfreundlichen Energiewirtschaft. Rappenecker Hof: Zur Energieversorgung der abseits vom öffentlichen Stromnetz gelegenen Wandergaststätte im Schwarzwald wurde 2003 erstmals eine PEM-Brennstoffzelle unter realen Betriebsbedingungen in einem Photovoltaik- Hybridsystem eingesetzt. 2 Fraunhofer ISE Zur Gewinnung von reinem Wasserstoff entwickeln wir Wasserelektrolyseure bis etwa 2 kw Leistung, zur Erzeugung von wasserstoffreichem Synthesegas entwickeln wir Verfahren und Anlagen zur Reformierung von flüssigen und gasförmigen Kohlenwasserstoffen. Die energetische Umwandlung von Wasserstoff führen wir überwiegend mit Brennstoffzellen auf Basis von Polymerelektrolytmembranen (PEM) durch. Diese sind effizient, umweltfreundlich, geräusch- und wartungsarm und eignen sich insbesondere zur Energieversorgung im niederen Leistungsbereich. Die von uns entwickelten Brennstoffzellen, Elektrolyseure und Reformer integrieren wir in übergeordnete Gesamtsysteme. Dafür konzipieren und realisieren wir die elektrische Auslegung inklusive Spannungsaufbereitung und Sicherheitstechnik. Mit der Entwicklung von Zusatzstromerzeugern, Brennstoffzellen-Blockheizkraftwerken zur kombinierten Strom- und Wärmeerzeugung, autonomen Stromversorgungen für netzferne Anwendungen sowie Kleinstsystemen zur portablen Energieversorgung arbeiten wir an den Grundlagen für eine marktfähige Wasserstoffenergiewirtschaft.

3 Kompetenzen Wasserstoffbereitstellung durch Reformierung Am Fraunhofer ISE entwickeln wir Reformer-Prototypen-Anlagen, die fossile und biogene Brennstoffe in gasförmiger oder flüssiger Form wie Erdgas, Propan, Benzin, Diesel, Kerosin oder Ethanol in Wasserstoff umwandeln. Die Anlagen umfassen den eigentlichen Reformierreaktor und, abhängig vom Typ der nachgeschalteten Brennstoffzelle, auch eine Gasaufbereitung zur Erhöhung der Wasserstoffausbeute und Reinigung des Produktgases. Wir beherrschen die drei gängigen Reformierverfahren: Dampfreformierung, autotherme Reformierung sowie partielle Oxidation und können daher für jeden Anwendungsfall das bestgeeignete Verfahren auswählen. Bei unseren Entwicklungen greifen wir auf mehr als ein Jahrzehnt Erfahrung in Reaktionstechnik, Wärme- und Stoffübertragung, heterogener Katalyse, Prozesssimulation und Sicherheitstechnik zurück. Aus dem erfolgreichen Betrieb mehrerer Anlagen gewannen wir wertvolle Kenntnisse durch die Integration von Reformer und Brennstoffzelle in ein übergeordnetes Gesamtsystem. Die Einsatzgebiete dieser Systeme reichen von stationärer Kraft-Wärme-Kopplung über Bordstromversorgung bis hin zur portablen Energieversorgung. Wasserstofferzeugung durch Elektrolyse Bei der Elektrolyse wird Wasserstoff und Sauerstoff in hoher Reinheit gewonnen. Regenerativer Wasserstoff kann so z. B. unter Einsatz von Wasserkraft, Windenergie oder photovoltaischer Stromerzeugung hergestellt werden. Auf Basis von Polymer-Elektrolyt-Membranen (PEM) entwickeln wir Elektrolyseure und optimieren deren einzelne Komponenten. Zum vertieften Verständnis der elektrochemischen Vorgänge an den Elektroden setzen wir unterschiedliche Charakterisierungsmethoden ein. Aufnahmen mit dem Raster-Elektronen-Mikroskop (REM) geben Aufschluss über die Struktur der Elektroden, Aussagen über die elektrochemische Oberfläche gewinnen wir aus zyklovoltammetrischen Messungen. Zur Optimierung der Membran-Elektroden-Einheiten wenden wir Verfahren der statistischen Versuchsplanung an. Wir entwickeln Komplettsysteme oder bieten Beratung an. Für die effiziente Zwischenspeicherung von Wasserstoff konzentrieren wir uns hierbei auf Druck-Elektrolysesysteme. Die verfahrenstechnische Peripherie optimieren wir im Hinblick auf Effizienz, Kosten und Zuverlässigkeit. Membranbrennstoffzellen zur Stromerzeugung Brennstoffzellen sind aufgrund ihres hohen Wirkungsgrads, ihrer Zuverlässigkeit und nicht zuletzt ihrer emmissionsfreien Energieumwandlung sehr gut für die dezentrale Energieversorgung geeignet. Wir konzentrieren unsere Forschung auf Membranbrennstoffzellen für portable und netzferne Anlagen. Je nach Anforderung realisieren wir Brennstoffzellen-Systeme für Wasserstoffoder Methanol-Betrieb. Zur Optimierung führen wir elektrochemische, thermodynamische und strömungsmechanische Simulationen durch. Zur Verifizierung der eingesetzten Modelle nutzen wir umfangreiche experimentelle Einrichtungen. Besondere Schwerpunkte bilden dabei die Lebensdauerverlängerung des Brennstoffzellenstapels durch die Analyse von Degradationsverlusten oder durch die Toleranzerhöhung gegenüber CO-Verunreinigungen. Zusammen mit unseren Partnern entwickeln wir anwendungsbezogene Systemlösungen oder bieten Beratungsdienstleistung an. Kerosin-Reformer für eine oxidkeramische Brennstoffzelle (SOFC) mit einer Leistung von 25 kw und integrierter Entschwefelung. Wasserstoffproduktion in einem Miniatur- Elektrolyseur. Temperaturverteilung in einer Miniatur-PEM- Brennstoffzelle in der Startphase. Fraunhofer ISE 3

4 Kompetenzen Mikroenergietechnik Mikro-Brennstoffzellensysteme Die stetig steigenden Leistungsanforderungen miniaturisierter elektrischer Verbraucher erfordern innovative Konzepte für deren Energieversorgung. Ob Mobiltelefone, Laptops oder energieautarke Mess- bzw. Signalsysteme gewünscht werden zuverlässige Stromerzeuger mit hoher Energiedichte. Für den Leistungsbereich bis ca. 400 W entwickeln wir Membran- Brennstoffzellen-Systeme auf Basis von Wasserstoff oder Methanol als Ergänzung oder Alternative zu Batterien und Akkus. Aufgrund der Trennung von Stromerzeugung und Brennstoffspeicher kann die Energieversorgung ideal an die geforderte Spezifkation angepasst werden. Die Modularität der Brennstoffzelle bietet weite konstruktive Freiräume. Ausgehend von Simulationsrechnungen und experimentellen Untersuchungen entwickeln wir die Regelungselektronik für Luft- und Brennstoffzufuhr sowie Wärmeabfuhr und Wassermanagement und stellen hocheffiziente Spannungsaufbereitung bereit (siehe Geschäftsfeld»Netzunabhängige Stromversorgung«). Charakterisierung und Simulation Die wissenschaftliche Untersuchung der physikalischen, chemischen bzw. elektrochemischen Reaktionen in mikroskopischem Maßstab ist Grundlage für eine optimierte Auslegung von Wasserstoff-Systemen. In der Reformertechnologie führen wir abgestimmt auf die Applikation und den Brennstoff gezielte Katalysatortests durch. Dabei bewerten wir unterschiedliche Katalysator-Formulierungen und -Träger. Bei Schüttungen variieren wir die Pellet-Dimension, bei Waben die Geometrien. Um die Verfahrenstechnik ständig zu verbessern, setzen wir Simulationswerkzeuge ein und entwickeln detaillierte theoretische Modelle. Durch Vergleich mit den experimentellen Untersuchungen stellen wir somit unsere Verfahrensauslegung auf eine zuverlässige Grundlage. Das Herzstück einer PEM-Brennstoffzelle bzw. eines PEM-Elektrolyseurs ist die Membran-Elektroden-Einheit (MEA). Wir beschichten Membranen mit reinen oder geträgerten Katalysatorschichten. Zur Bestimmung der MEA-Eigenschaften stehen uns Mess- verfahren wie Zyklovoltammetrie und Impedanzspektroskopie für die ortsaufgelöste Charakterisierung zur Verfügung. Die Betriebsführung von Brennstoffzellen wird durch intensive Testreihen in Dauermessständen verbessert. Durch umfangreiche Möglichkeiten zur Charakterisierung kann das Verhalten einzelner Brennstoffzellen in unterschiedlichsten Betriebszuständen beobachtet werden. Neben den üblichen Messverfahren wurde eine Messzelle zur ortsaufgelösten Bestimmung wichtiger Kenngrößen wie Stromdichte, Widerstand und Temperatur entwickelt. Eine sichere Auslegung und Konstruktion von Brennstoffzellen-Systemen basiert auf detaillierten Simulationsrechnungen. Mit Hilfe von Computational Fluid Dynamics (CFD) modellieren wir gekoppelte Größen wie ortsabhängige Stromdichte, Sauerstoffpartialdruck, anoden- bzw. kathodenseitige Flussraten, Temperaturen und Membranfeuchte. Des weiteren nutzen wir dynamische Simulationsmodelle zum Entwurf von Regelungssystemen. Packaging eines Miniatur-Brennstoffzellen- Systems mit einer Leistung von 10 W inklusive Systemkomponenten. Entwicklung eines neuartigen Verfahrens zur rückstandsfreien Verdampfung flüssiger Kohlenwasserstoffe. Testzelle zur ortsaufgelösten Messung charakteristischer Kenngrößen. Fraunhofer ISE 4

5 Referenzprojekte Referenzprojekte Innovative Hausenergieversorgung Den weltweit erstmaligen Einsatz einer Brennstoffzelle als Kleinst-Blockheizkraftwerk (BHKW) realisierte das Fraunhofer ISE 1992 im Modellprojekt Energieautarkes Solarhaus. Solar erzeugter Wasserstoff diente als gemeinsamer Energiespeicher für Strom und Wärme. In den folgenden Jahren entwickelten wir Reformersysteme, um Erdgas in ein wasserstoffreiches Synthesegas für Brennstoffzellen-BHKWs umzuwandeln. Die zwei jüngsten Prototypen-Anlagen sind mit PEM- Brennstoffzellen kombiniert worden und sind seit 2003 erfolgreich in Betrieb. Bordstromversorgung der Zukunft Zur Bordstromversorgung auf Schiffen (APU = auxiliary power unit) bieten Reformer/Brennstoffzellen-Systeme einige Vorteile gegenüber konventionellen Verbrennungsmotor/Generator- Systemen. Die geringen Emissionen und der niedrige Lärmpegel stellen einen bedeutenden Vorteil dar, insbesondere im Hafen. Ein weiterer Vorzug Brennstoffzellen-basierter Systeme ist der höhere elektrische Wirkungsgrad. Da auf Schiffen Diesel als Kraftstoff eingesetzt wird, muss er zunächst in einem Reformer in ein wasserstoffreiches Gasgemisch umgewandelt werden, das dann in einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle verstromt wird. Im Rahmen einer Zusammenarbeit mit der italienischen Firma Ansaldo Fuel Cell SpA (AFCo) in Genua entwickelten wir eine Anlage, die Diesel durch autotherme Reformierung in Synthesegas umwandelt. Sie besitzt eine Leistung von 100 kw (bezogen auf den Heizwert des Diesels). Wir betreiben die Anlage über 500 Stunden, um Aussagen über das Zeitstandverhalten der Katalysatoren zu gewinnen. Regenerativer Fahrzeugantrieb 1997 wurde vom Fraunhofer ISE erstmalig eine komplett regenerative Energieversorgung mit Hilfe von solarer Wasserstofferzeugung für ein Automobil entwickelt. Das Fahrzeug stellt das erste mit einer Brennstoffzelle angetriebene und vom TÜV zugelassene Automobil dar. Mobile Powerbox Gemeinsam mit der Fa. Masterflex AG hat das Fraunhofer ISE ein PEM- Brennstoffzellensystem mit einer Dauerleistung von 50 W entwickelt. Die»Powerbox«bietet eine portable Energieversorgung für elektronische Geräte. Das System für den Betrieb mit Wasserstoff überzeugt durch seine Zuverlässigkeit sowie hohe Leistungsdichte. Eine hohe Flexibilität in der Anwendung wird durch die Ankoppelung unterschiedlicher Speichergrößen und -technologien für die Wasserstoffzufuhr erreicht. Die Luftversorgung wird über eine Mikropumpe realisiert. Durch eine neuentwickelte Regelung auf Basis eines Mikroprozessors konnte ein sehr stabiles Start-, Betriebs- und Abschaltverhalten erreicht werden. Miniatur-Elektrolyse für schaltbare Fenster Gaschrome Fenster verringern ihre Lichtdurchlässigkeit sobald ihre Wolframoxid-Beschichtung in Kontakt mit wasserstoffreichem Trägergas kommt. Zum Entfärben wird das Trägergas mit Sauerstoff versetzt. Dieser reagiert mit dem Wasserstoff zu Wasser und die Scheibe wird wieder vollständig transparent. Das Wasser steht dann erneut für die Elektrolyse zur Verfügung. Hierfür wurde eine Mini-Elektrolyse- Einheit mit einer Wasserstoffproduktion von 4,2 Nl/h entwickelt, die in die Fassade integriert werden kann. Gesamtansicht einer Anlage zur autothermen Reformierung von Diesel. Der Reaktor befindet sich im linken oberen Teil der Anlage. Direktmethanol-Brennstoffzellensystem mit 30 W Dauerleistung. Das System wird mit reinem Methanol betrieben. Fraunhofer ISE 5

6 Sprechen Sie uns an! Adresse Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE Heidenhofstraße Freiburg Tel: +49 (0) 7 61/ Fax: +49 (0) 7 61/ Marketing Wasserstofftechnologie Dipl.-Ing. Ulf Groos Tel: +49 (0) 7 61/ Fax: +49 (0) 7 61/ Ulf.Groos Übergreifende Koordination Wasserstofftechnologie Dr. Christopher Hebling Tel: +49 (0) 7 61/ Fax: +49 (0) 7 61/ Christopher.Hebling Netzunabhängige Stromversorgungen und Integration von BHKWs in Stromnetze Dr. Tim Meyer Tel: +49 (0) 7 61/ Fax: +49 (0) 7 61/ Tim.Meyer Wir bieten kundenspezifische Komponentenentwicklungen und Komplettsysteme für die Wasserstofferzeugung durch Reformierung oder Elektrolyse sowie für Brennstoffzellensysteme an. Hinzu kommt die Simulation und Auslegung der Systeme sowie deren automatisierte Regelung und Sicherheitstechnik. Ansprechpartner Reformierung Dr. Thomas Aicher Tel: +49 (0) 7 61/ Fax: +49 (0) 7 61/ Thomas.Aicher Elektrolyse Dipl.-Ing. Ursula Wittstadt Tel: +49 (0) 7 61/ Fax: +49 (0) 7 61/ Ursula.Wittstadt Brennstoffzellensysteme Dr. Carsten Agert Tel: +49 (0) 7 61/ Fax: +49 (0) 7 61/ Carsten.Agert Planare Brennstoffzelle mit einer Spitzenleistung von 8 W. Die Serienverschaltung von drei Brennstoffzellen wurde in Leiterplattentechnologie realisiert. Elektronenmikroskopische Aufnahme von Wassertropfen an einer hydrophoben Elektrode im Rahmen von Langzeitstudien zur Katalysatormorphologie. Gebäude und technische Gebäudeausrüstung Priv. Doz. Dr. Volker Wittwer Tel: +49 (0) 7 61/ Fax: +49 (0) 7 61/ Volker.Wittwer Leistungs- und Regelungselektronik für Brennstoffzellen Dr. Bruno Burger Tel: +49 (0) 7 61/ Fax: +49 (0) 7 61/ Bruno.Burger Außentaugliches Brennstoffzellensystem für den Einsatz in einem Temperaturbereich von -20 C bis +40 C. April 2005 Besuchen Sie uns im Internet! Regelungsstrategien von Brennstoffzellen-Blockheizkraftwerken in Gebäuden Dr. Christof Wittwer Tel: +49 (0) 7 61/ Fax: +49 (0) 7 61/ Christof.Wittwer Titelseite (von links nach rechts): Miniatur-Elektrolyseur zum Einsatz in gaschromen Fenstern Freigelegter Reformierreaktor mit Thermoelementen Brennstoffzellenstapel beim Tieftemperaturtest.