PEM-Elektrolyse-Systeme zur Anwendung in Power-to-Gas Anlagen

  • PEM-electrolysis-systems for the integration in power-to-gas applications

Tjarks, Geert Hauke; Stolten, Detlef (Thesis advisor); Weßling, Matthias (Thesis advisor)

Jülich : Forschungszentrum Jülich GmbH, Zentralbibliothek (2017)
Buch, Doktorarbeit

In: Schriften des Forschungszentrums Jülich. Reihe Energie & Umwelt 366
Seite(n)/Artikel-Nr.: IV, 135 Seiten : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2017

Kurzfassung

Wasserstoff kann mit den Technologien der Wasserelektrolyse emissionsfrei aus elektrischer Energie hergestellt werden. Neben der alkalischen Elektrolyse wird seit einigen Jahren auch die Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM) Elektrolyse zur Herstellung von Wasserstoff in Power-To-Gas Anlagen genutzt. Für einen wirtschaftlichen Einsatz der Technologie sind insbesondere hohe Wirkungsgrade des Elektrolyseurs und der Gesamtanlage notwendig.Gegenstand der Arbeit ist die energetische Betrachtung eines PEM-Elektrolyseurs für die Anwendung in einer Power-to-Gas Anlage. Dabei wird zunächst ein Gesamtmodell erstellt, welches durch Einzelzellmessungen parametriert wird. Mit dem erstellten Modell werden die Wirkzusammenhänge zwischen den Betriebsparametern und den spezifischen Verlusten des Elektrolyseurs identifiziert. Dabei zeigt sich, dass insbesondere das Thermomanagement deutlich durch die Betriebsparameter beeinflusst wird. So muss bei atmosphärischem Betrieb und maximal möglichen Temperaturen von 80° C über 50 Prozent der Verluste für die Heizung des Stacks aufgebracht werden. Diese Verluste ergeben sich aus den hohen Wasserdampfanteilen in den Produktgasen. Auf Grundlage der Ergebnisse wird eine optimierte Betriebsweise des Elektrolyseurs abgeleitet. Neben den Parametern der Betriebstemperatur und der Betriebsdrücke wird auch die Membrandicke als Auslegungsparameter berücksichtigt. Zur Reduzierung der Heizverluste ergibt sich eine Druckanhebung um wenige bar für einen effizienten Betrieb des Elektrolyseurs bei Stromdichten unterhalb von 1 A cm-2. Die Temperaturen sollten zur Reduzierung der Stackverluste aus Überspannungen auf die maximal möglichen 80° C eingestellt werden. Die optimale Membrandicke ergibt sich durch den Einfluss der Permeationsverluste und der ionischen Verluste. Bei Stromdichten oberhalb 1,5 A cm-2 sollten für Drücke bis 50 bar Membranen mit einer Dicke kleiner 100 μm gewählt werden. Für Betriebsbereiche unterhalb von 1 A cm-2 und Drücken bis zu 50 bar ergeben sich optimale Membrandicken von bis zu 300 μm. Mit der Wahl einer optimierten Auslegung des Elektrolyseurs wird eine energetische Untersuchung der gesamten Anlage durchgeführt. Dabei wird insbesondere ein optimales Druckniveau des Elektrolyseurs für einen effizienten Betrieb im Anlagenkontext ermittelt. Zur Bewertung der Optimierungsmaßnahmen werden die Ergebnisse mit zwei Referenzprozessen nach dem aktuellen Stand der Technik verglichen. Abhängig vom Betriebsfall ergeben sich optimale Druckniveaus des Elektrolyseurs zwischen 2 und 10 bar. Dabei zeigt sich, dass der Elektrolyseur im Anlagenkontext mit einem relativen Anteil von bis zu 94 Prozent den größten Verbraucher darstellt. Dagegen liegt der Anteil der Gaskompression bei maximal 5 Prozent und der Anteil der Gastrocknung bei unter einem Prozent. Durch die gewonnenen Ergebnisse wird eine Potentialanalyse für den Betrieb zukünftiger PEM-Elektrolyse-Anlagen zur großtechnischen Produktion von Wasserstoff durchgeführt. Es kann gezeigt werden, dass durch Entwicklungen auf Zellebene zukünftig Wirkungsgrade der Gesamtanlage von 68 bis 72 Prozent bezogen auf den unteren Heizwert möglich sind.

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