Zur Erreichung der Klimaschutzziele ist eine CO2-neutrale und nachhaltige Wasserstoffproduktion entscheidend. Daher ist es wichtig, die Herkunft des Wasserstoffs klar zu benennen. Wasserstoff wird abhängig von seiner Herkunft und CO2-Bilanz als grau, blau, türkis oder grün bezeichnet. Heute wird noch etwa 90 Prozent des Wasserstoffs aus fossilen Energieträgern, meistens aus Erdgas, hergestellt und als grauer Wasserstoff betitelt. Wird das dabei entstehende CO2 abgeschieden und beispielsweise unter der Erde gespeichert, spricht man von blauem Wasserstoff. Türkiser Wasserstoff wird ebenfalls als Alternative gehandelt. Bei seiner Herstellung, etwa aus Methan, entsteht kein CO2, sondern fester Kohlenstoff, der vielseitig einsetzbar ist.
Eine nachhaltige und klimaschützende Eigenschaft hat nur "grüner" Wasserstoff, der mit Hilfe von Strom aus erneuerbaren Quellen wie Windkraftanlagen und Photovoltaik gewonnen wird. Die Wasser-Elektrolyse ist dabei die Schlüsseltechnologie. Mit ihr gelingt nicht nur die Wasserstoff-Erzeugung aus Wasser und elektrischem Strom, sondern sie hilft auch Schwankungen in der Versorgung mit regenerativen Stromquellen auszugleichen, die erneuerbare Energie zu speichern oder in andere Energiesektoren zu transferieren. Die meisten Energiewandler erzeugen aus Solarstrahlung, Wind, Laufwasser und Wellenenergie im ersten Schritt elektrische Energie. Das Angebot dieser erneuerbaren Energien ist jedoch tageszeit-, jahreszeit- und wetterabhängig. Zum Ausgleich dieser Schwankungen ist deshalb eine elektrische Energiespeicherung notwendig.
Das Thema Elektrolyse bildet einen wichtigen Schwerpunkt der ZSW-Forschung. Mit unserem Engineering- und System-Know-how haben wir bereits verschiedene Elektrolyseanlagen bis in die Megawatt-Leistungsklasse am ZSW errichtet und beraten Industriekunden vom Basic Engineering bis zur Inbetriebsetzung kommerzieller Anlagen wie auch beim anschließenden Technologiemonitoring.
Bei der elektrochemischen Wasserspaltung wird über die beiden Elektroden, Kathode und Anode, elektrische Energie in Wasser eingeleitet und dieses dadurch in seine zwei gasförmigen Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff aufgespaltet. Die beiden Gase werden separat aufgefangen und gereinigt. Es muss nur der Wasserstoff gespeichert und ggf. transportiert werden, da bei der Energie-Rückgewinnung der Wasserstoff mit Luft-Sauerstoff wieder zu Wasser rekombiniert werden kann. Wasserstoff ist gasförmig beliebig lange speicherbar. Da Wasserstoff sowohl als chemischer Rohstoff in vielen Prozessen weltweit genutzt als auch als Energie-Zwischenspeicher, z.B. als Kraftstoff für Wasserstoff-Fahrzeuge, eingesetzt wird, gibt es jahrzehntelange Erfahrung im sicheren Umgang mit und der Nutzung von Wasserstoff. Es gibt verschiedene Elektrolyseprinzipien, wie die alkalische Elektrolyse (Abk.: AEL), die wässrige Kalilauge als stromleitendes Medium nutzt, die Polymer-Elektrolyt-Membran-Elektrolyse (Abk.: PEM-EL), die eine elektrisch leitende Membranfolie zwischen den Elektrodenschichten beinhaltet, die Hochtemperaturelektrolyse (Abk.: SOEL), die eine bei hoher Temperatur leitfähige Keramikfolie zwischen den Elektroden enthält und auch verschiedene weitere Varianten dieser drei Grundtechnologien.
Im Bereich der Elektrolyse arbeitet das ZSW auf verschiedenen Gebieten der Elektrolysetechnik.
Das ZSW erforscht und entwickelt intensiv die Technologie der alkalischen Elektrolyse von der Elektroden-, Elektrolyseblock- und Anlagenentwicklung bis zum Bau und Betrieb von Forschungs- und Demonstrationsanlagen. Der Leistungsbereich beginnt bei wenigen Kilowatt für Forschungs- und Testsysteme und reicht bis in den unteren Megawatt-Maßstab für Demonstrationsanlagen. Je nach Anwendungszweck oder Kostenvorgaben werden sowohl drucklose Systeme als auch Druckelektrolyseure entwickelt und gebaut.
Das Fachgebiet REG konzeptioniert und entwickelt Wasserstoff-Erzeugungsanlagen: Gesamtanlagen inklusive aller Nebenaggregate vom elektrischen Anschluss bis zur Abgabe von Wasserstoff an den Nutzer auf der Basis von AEL- und PEM-Elektrolyseuren. Die Wissenschaftler und Ingenieure entwickeln Aufstellungs-, Sicherheits- und Betriebskonzepte für Wasserstoffanlagen und unterstützen ihre Partner bei der Realisierung.
Mit hausinternen AEL-Testanlagen kann das ZSW auch Fremdentwicklungen von Elektroden, elektrochemischen Beschichtungen, Elektrolyseblöcken und anderen Systemkomponenten testen und vermessen. Dazu sind alkalische drucklose und Druck-Elektrolysetestsysteme im Leistungsbereich 1, 10 oder 100 kWel sowie im atmosphärischen als auch im Druckbetrieb bis 40 bar vorhanden. Zusätzlich werden selbst entwickelte Gesamtsysteme mit bis zu 1 MWel betrieben.
Die Entwicklung der Blockkonzepte am ZSW berücksichtigt die gesamte Prozesskette vom Prototyp bis hin zu einem in Serienfertigung herstellbaren Elektrolyseblock. Der Elektrolyseblock ist die zentrale Komponente einer Elektrolyseanlage. Seit 2011 werden alkalische Elektrolyseblocktechnologien am ZSW entwickelt. Ein alkalischer Elektrolyseblock besteht aus einer Vielzahl von Zellen, die über Verteilstrukturen in den einzelnen Zellrahmen mit Kalilauge versorgt werden und die entstehenden Gase über Sammelkanäle abführt. In jeder Zelle entstehen durch eine Membran getrennt sowohl Wasserstoff als auch Sauerstoff. Die sichere Abdichtung der Gase zueinander ist neben der homogenen Elektrolytverteilung und der Integration von Membran bzw. Elektrodenpackage eine weitere konstruktive Herausforderung im Blockdesign. Zahlreiche anwendungsspezifische Anforderungen wie Druck, Temperatur, Herstellkosten, Lebensdauer etc. gehen in die Auslegung der einzelnen Blockkomponenten ein.
Unterstützt von Computersimulationen (CAD) können verschiedene Gestaltungsmöglichkeiten evaluiert und zunächst erste Muster in kleinem Maßstab (100 cm²) umgesetzt werden. Aufgrund der umfangreichen Testumgebung am ZSW können Elektrolyseblöcke im Maßstab von etwa 100 - 6000 cm² betrieben und vermessen werden. Die Untersuchung einzelner Komponenten (Membran, Elektrodenbeschichtung) unter realen Bedingungen in bereits vorhandenen Blocktechnologien ist aber ebenfalls möglich. Bisher sind insgesamt 3 unterschiedliche alkalische Elektrolyseblockkonzepte mit aktiven Flächen von 100 cm², 1.500 cm² und 2.700 cm² für den atmosphärischen und den Druckbetrieb bis 40 bar entwickelt worden.
Gemeinsam mit Forschungs- und Industriepartnern arbeitet das ZSW auch an Produktionsverfahren und Fertigungstechnologien für eine Serienfertigung von Elektrolyseblöcken.
Grüner Wasserstoff ist ein wichtiger Baustein für die Energiewende. Der klimafreundliche Energieträger wird mit Hilfe der Wasser-Elektrolyse aus Ökostrom erzeugt. Im Projekt „Elektrolyse Made in Baden-Württemberg“ steht die Industrialisierung der Elektrolysetechnik und die Sicherstellung der internationalen Wettbewerbsfähigkeit für mittelständische Unternehmen aus Baden-Württemberg im Vordergrund. Das Herzstück ist ein Elektrolyse-Demonstrators, der am 2. August 2022 von Wirtschaftsministerin Dr. Nicole Hoffmeister-Kraut in Betrieb genommen wurde. Das Wirtschaftsministerium Baden-Württemberg fördert das vom ZSW koordinierte Projekt „BW Elektrolyse“ mit insgesamt fünf Millionen Euro.
Der alkalische Druck-Elektrolyseur mit einer elektrischen Leistung von rund einem Megawatt wurde modular konzipiert werden, so dass die Technologie künftig aufbauend auf dieser kleinsten Einheit auf einfache Weise in größere, zweistellige Megawatt-Leistungsklassen skaliert werden kann. Über 40 Unternehmen aus Baden-Württemberg haben serientaugliche verfahrens- und elektrotechnische Komponenten (z.B. Verrohrung, Pumpen, Ventiltechnik, Leistungselektronik) und Fertigungstechnologien in den Demonstrator eingebracht. Gemeinsam mit den Unternehmen soll der Markthochlauf der Zukunftstechnologie Elektrolyse beschleunigt werden.
Bei dem Systemdemonstrator „Made in Baden Württemberg“ handelt es sich um eine vom ZSW entwickelte Alkalische Druckelektrolysetechnologie (30 bar) mit einer elektrischen Anschlussleistung von einem Megawatt und einer Produktionskapazität von etwa 20 Kilogramm Wasserstoff pro Stunde. Das reicht für die Betankung von täglich etwa 80 Brennstoffzellen-PKW, 20 Brennstoffzellen-Bussen oder Brennstoffzellen-LKW und bedeutet eine jährliche Produktionskapazität von bis zu etwa 170 Tonnen Wasserstoff.
Das System ist in einem Baukastensystem modular konzipiert, sodass die Technologie auch in größere Leistungsklassen skaliert und flexibel an unterschiedliche Kundenanforderungen oder Standortgegebenheiten angepasst werden kann.
Neben der Industrialisierung der Systemtechnik wurde insbesondere an der Weiterentwicklung der ZSW-patentierten Elektrolysestack-Technologie, dem Herzstück der Anlage, gearbeitet, um die Effizienz des Elektrolyseprozesses weiter zu erhöhen und die Herstellungskosten für grünen Wasserstoff zu senken.