Reformierung von Kohlenwasserstoffen PEM-Elektrolyse

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1 Bereitstellung von Wasserstoff Reformierung von Kohlenwasserstoffen PEM-Elektrolyse Ursula Wittstadt Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE Wasserstoff Expo 2002 Hamburg,

2 Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme Gebäude und technische Gebäudeausstattung Solarzellen Netzunabhängige Stromversorgungen Dezentrale Energieerzeuger und Speicher in Stromnetzen Wasserstofftechnologie

3 Wasserstofftechnologie am Fraunhofer ISE Mikroenergietechnik/Membran-Brennstoffzellen Wasserstoffbereitstellung Reformierung von Kohlenwasserstoffen (Dr. Thomas Aicher, Dr. Peter Hübner) Elektrolyse (Dipl.-Ing. Ursula Wittstadt)

4 Reformierung von Kohlenwasserstoffen gasförmige und flüssige Kohlenwasserstoffe (C n H m ): Erdgas, Flüssiggas, Benzin, Kerosin, Diesel, Heizöl Stationäre und mobile Anwendungen KW+ Luft Wasser Reformer CO-Shift Luft CO- Feinreinigung wasserstoffreiches Produktgas Luft Restgas Brennstoffzelle Wasser, Luft Wärme elektrischer Strom

5 Prinzip der Reformierverfahren Wasserstoffbereitstellung - Reformierung und Elektrolyse 1) Dampfreformierung (Steam Reforming, SRV): 2) Partielle Oxidation (POX): m CnH m + n H2O n CO + n + H2 H 2 R > 0 - Energiezufuhr extern über einen Brenner m CnH m + n 2 O2 n CO + H2 H 2 R < 0 m CnH m + n O2 n CO2 + H2 2 - katalytisch oder ohne Katalysator H R < 0 3) Autotherme Reformierung (ATR): 2 C H n m + n H O + 2 ( n + m 4) O m m n CO + n + H 2 + n CO2 + H 2O Kombination aus 1) und 2), falls H R = 0 2

6 Stationäre Anwendungen, Strategie Wasserstoffbereitstellung - Reformierung und Elektrolyse Ersatz der konventionellen Heizung durch BZ-BHKWsystem mit Wärmespeicherung Heizung: kwh/a Warmwasser: kwh/a Strom: kwh/a - großes Marktpotenzial - effiziente Stromerzeugung - guter Kraft/Wärme-Mix Erdgasanschluß Stromnetz BZ-BHKW Wärmespeicher

7 Erdgasreformer für die Hausenergieversorgung Reformer CO-Shift SelOx CH4, H2O Brenner Luft Reformat CH4, Luft Betriebsparameter: - Dampf/Erdgasverhältnis: S/C - Erdgaseinsatz in den Brenner: R/B - Luftzahl der Selox-Stufe λ Selox

8 Erdgasreformer für die Hausenergieversorgung Gaszusammensetzung bei verschiedenen Lastpunkten Konzentration [Vol-%,tr.] S/C = 4 p = p atm. Gaszusammensetzung nach der Shiftstufe H2/ Vol% CO/ Vol% CO2/ Vol% CH4/ Vol% 30% RL* 50% RL 100% RL 50% RL 05:25:00 05:32:12 05:39:24 05:46:36 05:53:48 06:01:00 *RL-Reformerleistung Zeit [h]

9 Elektrolyse Wasserstoffbereitstellung - Reformierung und Elektrolyse H 2 MEA O 2 Gewinnung von Wasserstoff mit Hilfe von elektrischer Energie Elektrolyse auf Basis der Polymer-Elektrolyt-Technik Reaktion Anode: H 2 O H 2 0 0,5 O 2 + 2H + +2e - Reaktion Kathode: + 2H + + 2e - H 2 = Gesamtreaktion: H 2 O H 2 + 0,5 O 2

10 Membran-Elektroden-Einheit Polymer-Membran (z.b. Nafion ) Beschichtung der Membran mit Katalysatoren (Pt and Ir) spezielle Diffusionssperre für hohe Gasreinheit (bis zu 99,99 Vol.% H 2 ) Katalysatorschicht einer Membran-Elektroden-Einheit

11 Elektrolyse und regenerative Energien ideal mit Energie aus Sonne und Wind zu koppeln H 2 -Speicher für netzferne Gebiete als Teil einer autonomen Stromversorgung EL BZ DC Batterie PV Druckelektrolyse abgestimmt auf verwendetes Speichersystem DC Kontrolleinheit

12 Wasserstoffbereitstellung - Reformierung und Elektrolyse Druck-Elektrolyseure Wasserstoffproduktion bis 500 l pro Stunde variabel durch modulare Stack-Bauweise Betriebsdruck bis 30 bar vollständig automatisierte Komplettanlagen Elektrolyseanlage für die Produktion von 450 l/h H2

13 Kleine Elektrolyseure angepasstes Systemdesign für Spezialanwendungen in Medizin- und Umwelttechnik Kleinstmengen an Sauerstoff und Wasserstoff maßgeschneiderte Werkstoffe: von Metall bis zu spritzgießbaren Kunststoffen verschiedene Kontaktierungskonzepte Miniatur- Elektrolyseur

14 Anwendungsbeispiel: Gaschrome Scheiben (Fa. Interpane)

15 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit.