Wasserstoff als Energiespeicher
Lesedauer – ca. 7 Minuten – Der erste Artikel einer dreiteiligen Beitragsserie rund um das Thema Wasserstoff als Energieträger beschäftigt sich mit der Energiespeicherung in Wasserstoff und den dafür notwendigen Komponenten.
Während heute ein großer Anteil des erzeugten Wasserstoffs als sogenanntes „Nebenprodukt“ in der Industrie bei chemischen Prozessen anfällt, dürfte das grundlegende Prinzip der Elektrolyse von Wasser vielen aus einfachen Knallgas-Versuchen im Schulunterricht bekannt sein. Als Elektrolyse bezeichnet man einen chemischen Prozess, bei welchem ein elektrischer Strom eine Redoxreaktion erzwingt. Bei der Elektrolyse von Wasser, wird dieses an den Elektroden in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten. Der steigende Anteil dezentral und regenerativ erzeugter Energie in Verbindung mit großen technologischen Fortschritten bei Elektrolyseuren weckt ein immer größeres Interesse an Wasserstoff als Energiespeicher.
Elektrische Energie für Wasserstoff
Ganz gleich ob aus atomaren, fossilen oder regenerativen Quellen erzeugt, ein grundlegendes Problem bei der Bereitstellung von elektrischer Energie ist, die Balance zwischen Angebot und Nachfrage zu gewährleisten. Da in der Regel weder ein konstantes Angebot noch eine konstante Nachfrage an elektrischer Energie vorliegt, müssen im Fall der Energieerzeugung Möglichkeiten geschaffen werden, diese effizient und sinnvoll zu speichern. Die in unseren Breiten regenerativ erzeugte Energiemenge unterliegt meist starken Schwankungen. Im Falle eines Überangebots an Energie, bietet sich Wasserstoff als Speichermedium an.
Während im Vergleich zur Speicherung in Batterien zwar Abstriche beim Wirkungsgrad gemacht werden müssen, bietet der Wasserstoff als Energiespeicher jedoch eine über 200-fach höhere gewichtsbezogene und eine ca. 5-fache volumenbezogene (bei 700 bar) Energiedichte als herkömmliche Lithium-Polymer-Akkus. Auch in Puncto Kosten lässt sich die Energiespeicherung in Wasserstoff aufgrund der relativ einfachen Lagerung in Tanks deutlich besser skalieren als in Akkumulatoren.
Ein weiterer Vorteil ist, dass der Transport von Wasserstoff mit der bestehenden Infrastruktur auf Straße und Schiene genauso möglich ist wie eine Verteilung über das Erdgasnetz. Hier wird bereits seit einigen Jahren überschüssiger Wasserstoff aus industriellen Prozessen als geringer Prozentsatz dem Erdgas beigemischt.
Systemkomponenten der Wasserstofferzeugung
Für die Wasserstofferzeugung mittels Elektrolyseur sind verschiedene Komponenten erforderlich, welche in Abhängigkeit der Leistung, dem Elektrolyseur-Typen sowie dem gewünschten Reinheitsgrad des Wasserstoffes unterschiedlich ausgelegt werden können.
Grundsätzlich ist neben einer geeigneten Spannungsversorgung mittels ACDC- bzw. DCDC-Wandler eine Wasseraufbereitung bei der Nutzung von Speisewasser erforderlich. Neben der Reinigung werden hier auch, je nach Elektrolyseur-Typen, dem Wasser Basen oder Säuren zugefügt. Der Elektrolyse nachgeschaltet befindet sich ein Gasabscheider, welcher die Produktgase entnimmt. Direkt nach der Abführung aus den Zellen befinden sich noch Verunreinigungen im Wasserstoff, welche in Gasnachkühlern und Kondensationsabscheidern herausgelöst werden können. Je nach erforderlicher Reinheit kann in Reinigungs- und Trocknungsanlagen enthaltenes Wasser im Wasserstoff kondensieren und somit eine Reinheit von etwa 99,9 Vol.-% erreicht werden. Für die Verwendung in Fahrzeugen ist nach der ISO Norm 14687-2 nur ein Restanteil an Wasser von 5ppm erlaubt. Mittels einer Druckwechseladsorption kann die Reinheit auf ca. 99,999 Vol.-% gesteigert werden. Die Lagerung des Wasserstoffes erfolgt in der Regel in Druckspeichern, in dem der Wasserstoff durch einen Gaskompressor auf etwa 700bar komprimiert wird.
Gleichspannung für den Betrieb des Elektrolyseurs
Vereinfacht beschrieben ist ein Elektrolyseur, oder eine Elektrolysezelle, das Gegenstück zur galvanischen Zelle, z.B. einer Batterie. Während Batterien Gleichspannung liefern, muss umgekehrt der Elektrolyseur mit Gleichspannung versorgt werden. Die für einen Ablauf der Elektrolyse erforderliche Mindestspannung über die Elektroden, welche anhand der Reaktionsenthalpie ermittelt wird, beträgt bei der Elektrolyse von Wasser unter Standardbedingungen 1,482V und sinkt entsprechend bei höheren Temperaturen des Wassers. Aufgrund von Elektronendurchtrittshemmungen bei elektrochemischen Reaktionen sowie dem ohmschen Widerstand der Elektrolysezelle sind in der Praxis aber durchaus höhere Spannungen üblich. In der Regel werden sogenannte Stacks verwendet, also mehrere miteinander verschaltete Elektrolysezellen, analog der Verwendung von Batteriezellen, sodass sich die für den Betrieb des Elektrolyseurs erforderliche Spannung in Abhängigkeit der Anzahl an Zellen erhöht.
Der DCDC-Wandler bei der Elektrolyse
Da die elektrische Versorgung eines Elektrolyseurs von zentraler Bedeutung für dessen Lebensdauer und für die Effizienz des gesamten Prozesses ist, soll hier explizit auf die Anforderungen an einen DCDC-Wandler eingegangen werden.
Die Versorgung aus regenerativen Quellen oder Batteriespeichern unterliegt gewissen Spannungsschwankungen, welche durch den Eingangsspannungsbereich des DC/DC-Wandlers abgedeckt werden müssen. Für einen optimalen Betrieb des Elektrolyseurs muss sowohl die Spannung als auch der Strom an Betriebsbedingungen wie Temperatur, Betriebsmitteldruck und -qualität sowie den gewünschten Lastfall angepasst werden. Dies erfordert einen in weiten Teilen steuerbaren Ausgang des DC-DC Wandlers.
Neben der eigentlichen Versorgung der Elektrolyse-Zellen benötigt der Elektrolyseur zusätzlich Energie für z.B. integrierte Elektronik, für den Betrieb einer Betriebsmittelpumpe oder den Gasabscheider. Diese Energie wird idealerweise ebenfalls vom DCDC-Wandler über einen zusätzlichen Ausgang zur Verfügung gestellt.
Um den Wirkungsgrad der Applikation zu steigern, sollte die beim Prozess und den beteiligten Komponenten entstehende Abwärme zum Vorheizen der Betriebsmittel oder in nachgelagerten Anwendungen verwendet werden. Dies Bedarf auch einem flexiblen Thermomanagement des DC/DC-Wandlers, um auf die jeweiligen Anforderungen der Applikation reagieren zu können. In der Regel erfolgt die Wärmeabfuhr über Kontakt- oder eine Flüssigkeitskühlung.
So kann der Betrieb des Elektrolyseurs im optimalen Betriebspunkt bei höchster Effizienz des Gesamtsystems realisiert werden. Im nächsten Teil unserer Wasserstoff-Serie behandeln wir das Thema „Gleichspannung aus Wasserstoff“.
