Technische und ökonomische Bewertung der Polymer-Elektrolyt-Membran Elektrolyse

  • Technical and economical evaluation of polymer-electrolyte-membrane electrolysis

Saba, Sayed Mobasher; Stolten, Detlef (Thesis advisor); Jupke, Andreas (Thesis advisor)

Jülich : Forschungszentrum Jülich GmbH, Zentralbibliothek, Verlag (2022)
Buch, Doktorarbeit

In: Schriften des Forschungszentrums Jülich. Reihe Energie & Umwelt = energy & environment 570
Seite(n)/Artikel-Nr.: 1 Online-Ressource (IV, 263 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2022

Kurzfassung

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der technischen und ökonomischen Bewertung der Polymer-Elektrolyt-Membran Elektrolyse, die für die Erzeugung von regenerativem Wasserstoff verwendet werden kann. Vorrangiges Ziel dieser Arbeit ist es, die potenziellen spezifischen Selbstkosten dieser Technologie nachvollziehbar zu bestimmen. Um dieses Ziel zu erreichen, wird zuerst der Aufbau eines Polymer-Elektrolyt-Membran Elektrolyseurs, der aus einem oder mehreren Stacks und der entsprechenden Peripherie besteht, diskutiert. Der Stack - ein Stack bildet den Kern eines Polymer-Elektrolyt-Membran Elektrolyseurs - wird detailliert design-, material- sowie fertigungstechnisch analysiert und anschließend kostentechnisch bewertet. Hierbei werden neben bestehenden Design-Konzepten aus der Literatur (konservative Stack-Variante), auch potenzielle Alternativen (innovative Stack-Variante) zu diesen diskutiert. Zur anschließenden kostentechnischen Bewertung wird in dieser Arbeit ein Produktionsmodell entwickelt, mit dessen Hilfe die Selbstkosten eines Stacks berechnet werden können. In dieses Kostenmodell zur Berechnung der Selbstkosten fließen Daten aus der Analyse zu den benötigten Materialien, den Materialkosten und den Fertigungsparametern hinein. Für die Kostenberechnung der Peripherie-Komponenten des Polymer-Elektrolyt-Membran Elektrolyseurs, wird eine bestehende Kostenschätzungsmethode aus der chemischen Industrie verwendet. Hierbei handelt es sich um eine Kostenfunktionsmethode, die angewendet werden kann, wenn die Peripherie-Komponenten entsprechend den Betriebsbedingungen ausgelegt werden. Die Kostenschätzung der Leistungselektronik erfolgte im Rahmen einer Expertendiskussion. Mit Hilfe des Stack-Kostenmodells und des Kostenmodells für die Peripheriekomponenten, sind in dieser Arbeit die spezifischen Selbstkosten von technisch relevanten/ausgewählten Systemkonfigurationen bestimmt worden. Neben Selbstkosten werden im Rahmen der Arbeit auch mögliche Verkaufspreise für das Gesamtsystem ermittelt. Diese Verkaufspreise schließen die Installationskosten, die Kosten für Hilfseinrichtungen, Kosten infolge von unvorhergesehen Ereignissen, mögliche Margen, Steuern und die Kosten für den Anlagenbetrieb in den ersten Monaten mit ein und werden als Total Capital Investments in der Arbeit bezeichnet. Ein Vergleich der Selbstkostenwerte dieser Arbeit für die betrachteten Systemkonfigurationen (Wasserversorgung von Anode und Kathode sowie ausschließlicher Wasserversorgung der Kathode) bei einem Betriebspunkt von 1,7 V und 2,25 A·cm-2 liefert Selbstkostenwerte zwischen 160 bis 270 Euro pro Kilowatt elektrischer Systemeingangsleistung (€/kWe).

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