Wasserstoff & Derivate

Im Bereich der alkalischen Elektrolyse zielen wir darauf ab, fortschrittliche alkalische Elektrolyseursysteme zu entwickeln, die sich für die vor- und nachgelagerte Integration eignen. In diesem Zusammenhang konzentrieren wir uns auf die Erhöhung des Drucks, die Ermöglichung eines dynamischen Betriebs, das Verständnis und die Abschwächung der Degradation, insbesondere bei instationärem Betrieb, und die Gewährleistung einer hohen Wasserstoffreinheit bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung der Sicherheit. Dies wird erreicht, indem wir fortschrittlichere Balance of Plant (BOP) und fortschrittliche Kontrollen für AEL entwickeln und optimieren.

In ähnlicher Weise umfasst unsere Forschung zu Festoxid-Elektrolysezellen (SOEC) die Vergrößerung der Systeme, die Erhöhung des Betriebsdrucks, die Verringerung der Degradation und die Verbesserung der dynamischen Leistung.

In unseren Forschungsarbeiten zum alkalischen Niedertemperatur-Elektrolyseursystem konzentrieren wir uns auf die Untersuchung von atmosphärischen und druckbeaufschlagten Systemen, die Analyse von Reaktor- und Systemkomponenten und die Bewertung der Systemreaktionen auf eine intermittierende Stromversorgung. Unsere Bemühungen richten sich auf die Verbesserung der Systemarchitekturen und des BOP sowie auf die Verbesserung des Kontrollsystems, um die Reaktionen des Systems und der Module in verschiedenen Betriebsarten zu verstehen. Unser Ziel ist es daher, ein fortschrittliches alkalisches Elektrolyseursystem zu entwickeln, das sowohl unter schwankenden als auch unter Druckbedingungen betrieben werden kann und sich für die Integration in Up- und Downstream-Prozesse für die grüne Wasserstoffproduktion unter hohem Druck eignet.

Diese Aktivitäten basieren sowohl auf Experimenten als auch auf Modellierungen, die sowohl stationäre als auch instationäre Simulationen umfassen. Derselbe Ansatz und dieselben Überlegungen könnten auch für alkalische Elektrolyseure, die mit niedrigeren Laugenkonzentrationen betrieben werden, wie z.B. Anionenaustauschmembran-Elektrolyseur-Systeme (AEM), angestellt werden.

Infrastrukturen für alkalische Niedrigtemperatur-Elektrolyseursysteme

Unsere Testeinrichtungen umfassen maßgeschneiderte interne und extern erworbene Prüfstände für alkalische Elektrolyseure. Unsere Einrichtungen unterstützen Tests von 1 bis 50 kW unter hohem Druck (bis zu 50 bar) und drucklosen Bedingungen sowie Temperaturen bis zu 120°C.

Experimentelle Untersuchungen an SOC-Reaktoren

Atmosphärische und druckbeaufschlagte Untersuchung von SOC-Stacks (1-3 kW auf dem Druckprüfstand HORST) und Reaktormodulen mehrerer, gekoppelter SOC-Stacks (bis zu 150 KW auf dem Prüfstand GALACTICA) im Brennstoffzellen- und Elektrolysebetrieb, Parametrisierung und Validierung von CELESTE- und TEMPEST-Modellen, Untersuchung stationärer und instationärer Betriebsstrategien.

SOC-System-Experimente

Installation und Betrieb komplexer Prozessketten (e-Xplore: druckbeaufschlagtes SOEC-System zur direkten Kopplung mit nachgeschalteten chemischen Syntheseprozessen; Hybridkraftwerk: virtuell gekoppeltes Hybridkraftwerk mit druckbeaufschlagter SOFC und Gasturbine).

Rahmenwerk für transiente Simulation TEMPEST

TEMPEST wird zur Untersuchung des stationären und dynamischen Verhaltens von verfahrenstechnischen Systemen mit elektrochemischen Reaktoren eingesetzt. Die beiden Hauptanwendungsgebiete sind die Entwicklung von Kontroll- und Betriebsstrategien und die Untersuchung von Skalierungsstrategien. In beiden Fällen wird die Verteilung kritischer Parameter innerhalb von Zellen und Reaktoren (Temperatur, Stromdichte, Durchflussrate, Gaszusammensetzung) analysiert.

Konkrete Anwendungen des Simulationsrahmens sind zum Beispiel die Untersuchung eines Hybridsystems aus Reaktoren mit Festoxid-Brennstoffzellen (SOFC) und Batterien für einen maritimen Antriebsstrang sowie die direkte Integration von flüchtigem erneuerbarem Strom in Elektrolyseprozesse. In beiden Fällen wird untersucht, wie sich die schwankende elektrische Leistung auf die Reaktoren auswirkt und welche Kontroll- und Betriebsstrategien eingesetzt werden können, um Effizienz und Lebensdauer zu erhöhen.

Außerdem wird eine starke Synergie mit experimentellen Untersuchungen angestrebt. Auf der SOC-Seite werden die HORST- und GALACTICA-Prüfstände wichtige Daten zur Parametrisierung und Validierung liefern. Auf der Seite der alkalischen Elektrolyseure werden die Artemis- und HERA-Prüfstände eine Plattform für die Parametrisierung und Validierung von Vorhersagemodellen bieten, die für das Systemverhalten alkalischer Elektrolyseure im transienten Betrieb entwickelt wurden. Anschließend kann der Simulationsrahmen Betriebseigenschaften liefern, die über die experimentellen Möglichkeiten hinausgehen und experimentelle Untersuchungen unterstützen.

Konzeptionierung von Großanlagen CELESTE

CELESTE wird verwendet, um konzeptionelle Prozessdesigns in elektrochemischen Prozesssystemen zu entwerfen und zu bewerten. Das Haupteinsatzgebiet sind daher PtX-Systeme, in denen elektrochemische Reaktoren zur Erzeugung von Wasserstoff oder Synthesegas eingesetzt werden, die dann in weiteren Prozessen zur Herstellung hochwertiger Chemikalien reagieren. Solche Systeme können durch Anpassung der Betriebsbedingungen und Integration von Strömen optimiert werden, um höhere Erträge, einen geringeren Wärmeenergie- oder Strombedarf usw. zu erzielen. CELESTE zielt darauf ab, diesen Prozess zu vereinfachen.

Aufgrund der verschiedenen Formen wertvoller Ströme in solchen Systemen, wie Wärme, Chemikalien und Elektrizität, ist die Exergieanalyse ein äußerst nützliches Werkzeug, um die Ströme auf gleicher Basis aufzuwerten, da sie den Wert des Stroms mit dem "toten Zustand" vergleicht, der von der Umwelt vorgegeben wird. Mit CELESTE können Benutzer schnell Exergieanalysen durchführen, um solche Prozesssysteme ganzheitlich zu bewerten.

Das konzeptionelle Prozessdesign dient als Vorstudie für die Gestaltung unserer Experimente und transienten Simulationen. Hier bietet CELESTE eine wichtige Schnittstelle für die synergetische Interaktion zwischen unseren verschiedenen Forschungssäulen. Die Experimente, die auf unseren einzigartigen Testanlagen HORST und GALACTICA durchgeführt werden, liefern nützliche Daten für die Validierung unserer Modelle, und die Simulationen auf CELESTE liefern wichtige Informationen für die Gestaltung der Experimente und instationären Simulationen auf TEMPEST. Dies wird durch die Möglichkeit, schnell Optimierungsstudien durchzuführen, um die besten Parameter für den Betrieb zu finden, weiter verbessert.

Techno-ökonomisches und ökologisches Prozessbewertungs-Tool TEPET

TEPET ermöglicht eine detaillierte automatisierte Prozessbewertung aus technischer (Wirkungsgrade), wirtschaftlicher (Produktions-, Investitions- und Betriebskosten) und ökologischer Sicht (Lebenszyklusbewertung einschließlich Treibhauspotenzial, Wasserverbrauch, Landnutzung usw.). Die Forschung konzentriert sich insbesondere auf die Untersuchung von Prozessen zur Herstellung von alternativen Kraftstoffen (z.B. Fischer-Tropsch-Kraftstoff, Methan, Ammoniak, Methanol, ...) aus Strom und/oder Biomasse. Das Ziel der Forschungsprojekte ist sowohl die Prozessanalyse (z.B. Identifizierung und Quantifizierung von Kosten- und Umweltauswirkungen) als auch die Prozessoptimierung (z.B. Effizienzsteigerung durch Wärmeintegration und optimierte Betriebsbedingungen der Prozesseinheiten). Die Details des TEPET-Tools umfassen.