DEZENTRALE HERSTELLUNG VON WASSERSTOFF DURCH ELEKTROLYSE
Dipl.-Ing. Andreas Brinner Institut für Fahrzeugkonzepte des
Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR) Pfaffenwaldring 38-40, D-70569 Stuttgart
Dipl.-Ing. Wolfgang Hug
Hydrotechnik GmbH Pfannkuchstr. 3a – 5, D-76185 Karlsruhe
1) Wasserstoff als Sekundärenergieträger
Unsere heutigen Energiesysteme basieren überwiegend auf endlichen, fossilen
Ressourcen und entlassen grosse Mengen von Schadstoffen in die Umwelt.
Diese Energieträger müssen mittelfristig ergänzt und langfristig abgelöst wer-
den durch Einbeziehung unerschöpflicher, erneuerbarer Energiequellen und de-
ren Nutzung in geschlossenen, ökologisch neutralen Stoffkreisläufen ohne Ge-
fährdungspotenziale.
Der Einsatz von Sonnenenergie in verschiedenen Formen und anderer regene-
rativer Energiequellen zur Herstellung des speicherbaren und transportierbaren
Sekundärenergieträgers Wasserstoff aus Wasser mit Hilfe des Elektrolysepro-
zesses stellt eine solche Ersatzoption dar.
Wasserstoff ist ein hochwertiger und universeller Energieträger der - in Ergän-
zung zum direkt erzeugten Strom - zur Bereitstellung von thermischer, mecha-
nischer und elektrischer Energie genutzt werden kann.
2) Funktionsprinzip der alkalischen Wasserelektrolyse
Der einfachste Apparat zur elektrochemischen Wasserspaltung ist die in Abb. 1
dargestellte bipolare alkalische Elektrolysezelle, die im Prinzip aus einem Ge-
häuse mit zwei direkt angeschlossenen Gasabscheidern, zwei Elektroden (An-
ode und Kathode) sowie einer dazwischen eingebrachten gasdichten aber was-
serdurchlässigen Membran (Diaphragma) besteht. Wegen der Korrosionsbe-
ständigkeit werden üblicherweise alle metallischen Teile aus
H2O + Electricity H2 + 1/2 O2
Abb. 1: Funktionsprinzip einer bipolaren alkalischen Elektrolysezelle
Nickel oder billigeren Metallen mit Nickelüberzug hergestellt. In dem Gehäuse
befindet sich ein leitfähiges Kalilauge-Wasser-Gemisch. Bei Anlegen einer äu-
ßeren Gleichspannung zwischen Kathode (Minuspol) und Anode (Pluspol) fließt
ein elektrischer Strom, der an der Kathode für die Wasserstoff- (H2) und an der
Anode für die Sauerstoffentwicklung (O2) sorgt. Dabei wird nur das Wasser
zersetzt und muss nachgefüllt werden. Bei 20°C und 1 bar Druck beträgt die
elektrochemische Zersetzungsspannung einer Zelle 1,229 V. Aufgrund ohm-
scher Widerstände und innerer Überspannungsverluste muß die äußere Klem-
menspannung wesentlich höher sein. Abb. 15 zeigt den Vergleich verschiede-
ner Elektrolysekonzepte mit Nickelelektroden und verschiedenen katalytisch
aktiven Beschichtungen. Bei der industriell üblichen Stromdichte von 2 kA/m2
benötigt eine Elektrolysezelle mit blanken Nickelelektroden eine Spannung von
2,1 V entspr. 5,1 kWh/Nm3 Wasserstoff. Eine Zelle mit einfacher Kathodenbe-
schichtung in atmosphärischer Plasmaspritztechnik (APS) benötigt nur noch
eine Spannung von 1,92 V entspr. 4,7 kWh/Nm3. Eine Zelle mit beidseitiger
Elektrodenbeschichtung mit Hilfe der DLR-Vakuum-Plasma-Spritztechnologie
(VPS) kommt dagegen mit nur 1,69 V also 4,1 kWh/Nm3 aus. Zum Vergleich:
Dezentrale Herstellung von Wasserstoff durch Elektrolyse, Brinner, Hug, 2002
der untere Heizwert des Wasserstoff beträgt 3 kWh/Nm3. Die
Elektrodenbeschichtung hat also den wesentlichsten Einfluss auf den
spezifischen Energieverbrauch des Elektrolyseprozesses. Die DLR-Elektroden
werden seit mehreren Jahren erfolgreich in Elektrolyseuren der Fa.
Hydrotechnik eingesetzt.
3) Photovoltaik-Elektrolysesystem
Bei Verwendung von Wasserstoff als Sekundärenergieträger spielen zwei As-
pekte eine wesentliche Rolle. Der eine Aspekt ist die Minimierung des spez.
Energieverbrauchs zur Herstellung, der im vorigen Kapitel kurz angerissen
wurde. Der zweite Aspekt ist die möglichst emissionsarme bzw. emissionsfreie
Herstellung. Nur die Kombination beider führen zu einem neuen Energiesystem.
Beide Aspekte haben auf die Auslegung des Wasserstofferzeugungssystems
großen Einfluss. Abb. 2 zeigt beispielhaft ein Photovoltaik-Elektrolysesystem.
Abb. 2: Funktionsprinzip eines Photovoltaik-Elektrolysesystems ohne Gasspeicherung In diesem Beispiel ist die regenerative Energiequelle, die Photovoltaik (Photo-
voltaic Generator), mit direkter elektrischer Energieerzeugung aus Sonnenlicht.
Die optimale Energieübertragung, d.h. die Anpassung der Energiequellen-
Kennlinien an die H2-Herstellungs-Kennlinien, wird durch eine Leistungsanpas-
sung (Power Conditioning) gewährleistet. Die effiziente Energieumsetzung wird
mit einem betriebs- und energieoptimierten Elektrolyseur (Alkaline Water Elec-
trolyzer) sichergestellt.
Dezentrale Herstellung von Wasserstoff durch Elektrolyse, Brinner, Hug, 2002
Abb. 3 zeigt ein Übersichtsphoto des sog. HYSOLAR-Gebäudes, das 1987 im
Rahmen des deutsch-saudi arabischen Gemeinschaftsprogrammes HYSOLAR
(Hydrogen from SOLAR Energy) in Betrieb genommen wurde. Dieses Gebäude
beherbergt die weltweit erste TÜV-geprüfte 10 kWN Photovoltaik-Elektrolyse-
Versuchsanlage mit drei parallel betreibbaren 10 kWN Elektrolyseuren, die So-
lar-Wasserstoff für die Abgabe an Verbraucher erzeugen. Diese Anlage diente
neben den internen Untersuchungsprogrammen auch als Vorbildsystem für die
beiden anderen im HYSOLAR-Programm errichteten PV-Elektrolysesysteme
mit 3 kWp in Jeddah bzw. 350 kWp Leistung in Riad.
Wasserstoff-Speichersystem
Elektrolyse-Betriebsraum
Anlagen-Kontrollraum
Datenerfassung-und Auswertung
PV-Feld14,3 kWp / 10 kWN
Abb. 3: Aufbau der 10 kWN Photovoltaik-Elektrolyseanlage im HYSOLAR-Gebäude
Mit den Betriebsuntersuchungen an dieser Anlage werden drei Ziele verfolgt:
(1) die Entwicklung effizienter Elektrolyseure, (2) die Entwicklung einfacher, si-
cherer Gesamtanlagenkonzepte und (3) die gezielte Entwicklung peripherer Sy-
stemkomponenten wie Anlagensteuerung, Sicherheitseinrichtungen und Gas-
reinigungssystemen. Aufgrund des erfolgreichen Basiskonzeptes dieser Anlage
konnte ab April 1991 in Riad die 350 kW Solar-Wasserstoff-Produktionsanlage
errichtet und nach erfolgreicher TÜV-Abnahme im Sommer 1993 in Betrieb ge-
nommen werden.
Dezentrale Herstellung von Wasserstoff durch Elektrolyse, Brinner, Hug, 2002
4) 350 kW Solar-Wasserstoffanlage in Riad/ Saudi Arabien
Die 350 kW Anlage wurde als erste vollautomatisch betreibbare Solar-Wasser-
stoff-Produktionsanlage geplant. Aufgrund dieser Zielrichtung besitzt diese An-
lage nicht die gleiche Betriebsflexilität wie die 10 kW-Anlage.
Abb. 4 zeigt das Blockschaltbild des 350 kW-Systems mit seinen 16 Hauptkom-
ponenten. Die oberen vier Blöcke des Bildes sind die Steuer- und Sicherheits-
systeme für den Betrieb. Mittig im Bild sind die beiden Blöcke des Elektroly-
seurs zu sehen. Links davon enthält das Diagramm die beiden Stromversor-
gungen und rechts im Bild die Blöcke der Wasserstoffspeicherung. Die übrigen
Blöcke stellen die Hilfssysteme für Kühlung, Wasseraufbereitung und
Druckluftversorgung dar. In Abb. 4 sind zusätzlich auch die Medien- und
Signalverbindungen der Hauptsysteme untereinander enthalten.
N2S350-P&I-06
HYS350-P&I-09 O2 H2
CWB: COOLING WATER CIRC. BLOW.CWC: COOLING WATER CIRC. CHILL.
DC PWR: DC ELECTRIC POWER
YS350-P&I-07
O2: OXYGENN2: NITROGEN
H2: HYDROGEN
PA
50-P&I-08 CWC
CWC
HYS350-P&I-02
DC PWR
HYS350-P&I-02
DC PWR
PAH2HYS350-P&I-03
CWB
O2
-10
CWC
HYS350-P&I-05
H2
HYS350-P&I-05
H2
HYS350-P&I-04
CWCPA
H2
O2N2
H2
H2
HYS350-P&I-05
HYS350-P&I-05
N2
HYDROGEN & OXYGEN
NITROGENSUPPLY
HARD-WIREDSAFETY SYSTEM
(HWSS)
BLOWER
H2 & O2 GAS
OPERATIONCOMPUTER (PLC)
ROOM AIRSUPERVISION
SYSTEM (RASS)
ANALYSIS SYSTEM(GAS)
LOOP HY
PRESSURISEDAIR H
WATERTREATMENT
HYS3
TRANSFORMER/RECTIFIER
SUPPLYSOLAR POWER
ELECTROLYTELOOP
HYDROGENCOMPRESSOR
HYS350-P&I
CHILLER/COOLER
LOOP
H2 BOTTLERACK 2
H2 STORAGEGAS TREATMENT VESSEL
H2 BOTTLERACK 1
Abb. 4: Blockschaltbild der 350 kW Photovoltaik-Elektrolyseanlage in Riad
Die angestrebte kompakte Bauweise der Anlage ist im Aufstellungsplan in Abb.
5 gut zu erkennen. In „Control Room“ und „Utilities Room“ sind alle Kontroll-, Si-
cherheits- und Datenerfassungssysteme untergebracht. Im „Electrical Room“ ist
die Verbindung zwischen Elektrolysesystem und Photovoltaikfeld realisiert.
Dezentrale Herstellung von Wasserstoff durch Elektrolyse, Brinner, Hug, 2002
C&
D P
anel
HS
CPIDR
SA
CS
BP
DA
PD
Inve
rt.
RA
SS
UP
S3
GA
S
AC
HP
DH
PD
DC
AC
PD
HW
SS A
CC
P
ELECTRICALROOM
1UPS
BATTERYROOM
Au
x.A
CP
D
2
Ele
ctro
lysi
s
CoolersBlowers
Blo
ck
UTILITIESROOM
US
PROCESSROOM
PS
HB
2
Com
pres
sor
H2
Vess
el
GASHANDLING
ROOM
NB
S
HB
1
CONTROLROOM
NUndergroundElectrolyte Tank
Abb. 5: Systemaufbau der 350 kWp PV-Elektrolyseanlage im Betriebsgebäude
Der „Utilities Room“ enthält ein Containergestell mit allen Hilfssystemen. Im
Osten außerhalb des Raums sind die Kühlanlagen und Untergrundtanks aufge-
baut. Der „Process Room“ ist nur dem Elektrolyseur in einem separaten Contai-
nergestellt vorbehalten. Der „Gas Handling Room“ beherbergt Wasserstoff-Zwi-
schenspeicher, Verdichter und Gasreinigungsanlage. Am nördlichen Gebäude-
ende wurden außen die Wasserstoff-Druckspeicher und das Stickstoff-Inertisie-
rungssystem aufgebaut. Für die Sicherheit des Bedienungspersonals wurden
eine Feuerlöschanlage, Duschen, Erste-Hilfe-Ausrüstung und Raumluft-Über-
wachungsanlagen in allen Betriebsräumen installiert. Die gesamte Anlage be-
nötigt nur eine Aufstellungsfläche von 102 m2. Dem gegenüber benötigt das
Photovoltaikfeld mit seinen 160 motorisch 2-achsig nachgeführten Solarzellen-
trägern eine Landfläche von 40.000 m2. Aufgrund des höheren Wirkungsgrades
wurden Solarmodule mit 30-fach konzentrierenden Fresnellinsen ausgewählt.
Aufgrund des hohen Automatisierungsgrades kann die 350 kW-Anlage von ei-
nem eingewiesenen Bediener betrieben werden. Der 2-jährige Testbetrieb hat
gezeigt, dass der Wartungsaufwand inklusive Druckspeicherwechsel bei etwa 8
Stunden pro Betriebswoche liegt und die meisten Arbeiten ohne Betriebsunter-
brechung durchgeführt werden können. Für die regelmäßigen Sicherheitsprü-
fungen wurde ein 3-jähriger Turnus festgelegt.
Dezentrale Herstellung von Wasserstoff durch Elektrolyse, Brinner, Hug, 2002
Besonderes Augenmerk wurde auf die Gasqualität des Druck-Wasserstoff ge-
legt, die der Standardqualität 5.0 entspr. 99,999% Reinheit entsprechen sollte.
Dafür wurde an der 10 kW-Anlage das in Abb. 6 dargestellte Reinigungs- und
Speichersystem entwickelt und in der 350 kW-Anlage realisiert. Die Hauptvor-
teile dieser Anlage sind ihre dynamische Betreibbarkeit mit variablen Gasdurch-
flüssen und der angepasste Aufbau mit katalytischem Reiniger, Wasserfallen
und automatisch regenerierbaren Wasseradsorptionsbehälter sowie seinem
niedrigen Energieverbrauch. Das Reinigungssystem ist gastechnisch zwischen
die beiden Druckstufen des Verdichters eingeschleift und benötigt keine eigene
Steuerung.
Abb. 6: Beispiel eines dynamischen 10 kW H2 - Reinigungs- und Speichersystems
Dezentrale Herstellung von Wasserstoff durch Elektrolyse, Brinner, Hug, 2002
5) Intermittierend betreibbare Elektrolyseure
Obwohl natürlich der spezifische Energieverbrauch der H2-Herstellung ein we-
sentlicher Kosten- und Betriebsfaktor ist, muss die Elektrolyseentwicklung noch
andere Einflüsse darauf berücksichtigen.
Elektroden-fläche
Elektrolyse-block
Gas-Abscheidung
Laugen-sammler
Laugen-Kreislauf
Abb. 7: Einfacher druckloser alkalischer 2 kWN Elektrolyseur von DLR & Hydrotechnik
Allen voran sind dies der einfache Aufbau bei drucklosem oder Kompaktaufbau
bei Druckbetrieb sowie die Fähigkeit zum dynamischen bzw. intermittierenden
Betrieb zwecks universellem Einsatz mit verschiedenen Energiequellen.
Das DLR und die Fa. Hydrotechnik haben hierzu wesentliche Beiträge geleistet.
Die erste gemeinsame Entwicklung aus dem Jahr 1987 ist der in Abb. 7 darge-
stellte 2 kW-Elektrolyseur mit 1000 cm2 Elektrodenfläche, 5 Zellen und 1000 A
Maximalstrom. Das Blockschaltbild dieses äußerst einfachen Elektrolyseurs ist
in Abb. 8 gezeigt. Seine Zellrahmen sind aus Kalilauge-festem Kunststoff mit
hohem Fülleranteil gegossen und enthalten – wie in Abb. 7 erläutert – zusätz-
lich zu den aktiven Elektrolysezellen auch alle Behältervolumina für die
Gastrennung und den Lauge-Wasser-Vorrat sowie alle Verbindungskanäle. Die
Volumina sind so berechnet, dass, bei Hinzufügen weiterer Elektrolysezellen,
Dezentrale Herstellung von Wasserstoff durch Elektrolyse, Brinner, Hug, 2002
auch die Sammel- und Abscheideräume im richtigen Maß „mitwachsen“. Der 2-
jährige Testbetrieb hat gezeigt, dass der Elektrolyseur auch mit einer dynami-
schen elektrischen Leistung von 10 kWe auf Dauer betrieben werden kann, und
dass auch der Laugen-Naturumlauf auf Schwerkraftbasis ohne Pumpenbetrieb
problemlos funktioniert. Leider ist dieses Elektrolysekonzept nur für den
drucklosen Betrieb geeignet, dafür jedoch konkurrenzlos preiswert realisierbar.
Gasabscheidekammern
O2-Seite
ZellrahmenLaugenniveau
H2-Seite
LaugensammelkammernAktive Elektrodenfläche
Anoden-KreislaufKathoden-Kreislauf
Kathodenpumpe Anodenpumpe
Wärmeübertrager
Abb. 8: Kreislaufdiagramm des 2 kWN Elektrolyseur von DLR und Hydrotechnik
Für den Elektrolyse-Druckbetrieb wurden mit den Betriebs- und Materialerfah-
rungen des 2 kW-Elektrolyseurs ein Druckelektrolyseur mit 15 kW Nennleistung
bei 350 A für einen Betriebsdruck von 5 bara mit 20 Zellen und 600 cm2 Elektro-
denfläche entwickelt. Der DLR-Elektrolyseur ist in Abb. 9 dargestellt und seine
Hauptkomponenten erläutert.
Dezentrale Herstellung von Wasserstoff durch Elektrolyse, Brinner, Hug, 2002
Druck-regelung
Elektrolyse-block
Gas-Wasser-Trennung
Wasser-abscheider
Laugen-Kreislauf
Abb. 9: Fortschrittlicher alkalischer 15 kWe Druck-Elektrolyseur mit VPS-Elektroden
Der 10 kW-Elektrolyseur besitzt im Vergleich zu technisch ähnlichen Apparaten
eine Reihe von Vorteilen. Durch den Einsatz von DLR-Elektroden ist sein spezi-
fischer Energieverbrauch extrem niedrig (vergl. (3) in Abb. 13), der intermittie-
rende Druckbetrieb mit Photovoltaikfeld ist uneingeschränkt möglich, der Sy-
stemenergieverbrauch ist niedrig aufgrund weniger elektrischer Komponenten
(1 Pumpe, 6 elektromagnetische Ventile) und, H2- und O2-Druck werden sepa-
rat geregelt obwohl eine gemeinsamer Laugen-Sammelbehälter genutzt wird.
Der DLR-Elektrolyseur hat seine Dauerfestigkeit mit über 20.000 h dynami-
schem Betrieb überzeugend unter Beweis gestellt.
Das verfahrenstechnische Konzept dieses Elektrolyseurs wurde für den Einsatz
in Riad zum 0,5 MW Elektrolyseur mit 2500 cm2 Elektrodenfläche, 120 Zellen
und 9 bara Druckbetrieb weiterentwickelt. Abb. 10 gibt einen Überblick über
seine wesentlichen Komponenten. Bei der Weiterentwicklung standen dabei die
Randbedingungen des Betriebs bei extremen Temperaturen und Schwankun-
gen des PV-Energieangebotes, TÜV-Abnahmefähigkeit, geringer Wartungsbe-
darf, niedriger Systemenergieverbrauch, hohe Gasreinheit und lange Lebens-
dauer im Vordergrund. Dafür musste auf die hohe Flexibilität eines Versuchssy-
stems bezüglich eines weiten Betriebstemperatur- und Druckbereiches ver-
Dezentrale Herstellung von Wasserstoff durch Elektrolyse, Brinner, Hug, 2002
zichtet werden, um das Elektrolysesystem automatisieren zu können. Um die
grundsätzlichen Betriebsuntersuchungen trotzdem durchführen zu können,
wurde ein strom- und spannungsregelbarer Gleichrichter mit 0,5 MW Nennlei-
stung bei 1500 A Ausgangstrom installiert.
N2-Spül-System
Elektrolyse-block
H2-Wasser-Trennung
Wasser-abscheider
Wasser-Kreislauf
Laugen-Kreislauf
Abb. 10: Alkalischer 0,5 MWN Druckelektrolyseur für die solare Wasserstoffherstellung
6) Elektrolyse-Betriebsergebnisse des intermittierenden Betriebs
Die wichtigste Eigenschaften eines intermittierend betreibbaren Elektrolyseurs
sind mit seinen charakteristischen Betriebsdaten über einen Solarbetriebstag
der 10 kW-Anlage in Abb. 11 beispielhaft dargestellt. Der Elektrolysestrom (ICU
Electrolyzer DC Current) ist aufgrund des Faraday’schen Gesetzes ein unmit-
telbares Maß für die Wasserstoffproduktion und, aufgrund fehlendem elektri-
schem Energiespeicher, ein direkter Folger der Solareinstrahlung (Global Inso-
lation). Für den Solarbetrieb muss der Start-/Stop-Betriebsstrom des Elektroly-
seurs unter 5% des Nominalstroms liegen. Der H2-in-O2-Gehalt des Sauerstoffs
wird als Sicherheitskennwert für die Abschaltung des Elektrolyseurs genutzt
und muss unterhalb von 1,8 Vol.-% liegen. Der O2-in-H2-Gehalt des Wasser-
stoffs als Maß für die Reinigung/Speicherung des Wasserstoffs liegt immer
etwa bei der Hälfte des H2-in-O2-Gehaltes und darf ebenfalls höchstens 1,8
Vol.-% erreichen. Bei Betriebsstart haben beide Sicherheits-Kenngrößen immer
Dezentrale Herstellung von Wasserstoff durch Elektrolyse, Brinner, Hug, 2002
hohe Werte und müssen in weniger als 15 Minuten ihre normalen Betriebswerte
erreichen, andernfalls wird der Betrieb automatisch abgeschaltet.
Abb. 11: Tagesverlauf charakteristischer Daten des 10 kW PV-Elektrolysebetriebs
Die oben genannten Betriebsrandbedingungen werden von 2 kW- als auch 15
kW-Elektrolyseur einwandfrei erfüllt.
Neben der uneingeschränkten Betriebsfähigkeit ist natürlich die Nutzung der
elektrischen Leistung zur Erzeugung von Wasserstoff, der Elektrolyse-Wir-
kungsgrad, die wichtigste Betriebsgröße. In Abb. 12 sind die zwei messbaren
Wirkungsgrade (η) und ihr Ergebnis, der Gesamt-Wirkungsgrad, beispielhaft für
einen Solarbetriebstag der 350 kW-Anlage dargestellt. Der Faraday-η gibt an
welcher Anteil des Elektrolysestroms tatsächlich zur H2-Herstellung genutzt wird
und welcher Anteil an den Elektroden vorbei über Laugen- und Gaskanäle
fließt. Der Faraday-η liegt normalerweise immer weit über 90%. Der Span-
nungs-η ist das Verhältnis zwischen Zersetzungsspannung und Klemmenspan-
nung. Der Gesamt-η ergibt sich durch Multiplikation beider Werte. Im Falle der
Dezentrale Herstellung von Wasserstoff durch Elektrolyse, Brinner, Hug, 2002
350 kW-Anlage erreicht der Gesamt-η einen Spitzenwert von knapp 69 % be-
zogen auf den oberen H2-Heizwert.
10 11 12 13 14 15 16 170
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Referenz: Ho = 3.55 kWh/Nm3 H2
Stromdichtebereich: 250 - 190 mA/cm2
Betriebstemperaturbereich: 60 - 65oC
Betriebsdruck: 500 kPag
Verlauf der Wirkungsgrade während eines Solarbetriebstages
Wirk
ungs
grad
[ %
]
Tageszeit
Spannungs-Wirkungsgrad
Elektrolyse-Wirkungsgrad
Faraday-Wirkungsgrad
Abb. 12: Wirkungsgradverlauf der 350 kW-Anlage während eines Solarbetriebstages
An der 10 kW-Anlage in Stuttgart konnte aufgrund der dynamischeren Wetter-
bedingungen auch der Langzeiteinfluß der elektrischen Eingangsleistung auf
den Elektrolyse-Wirkungsgrad untersucht werden. Das Ergebnis ist als Dia-
gramm über 13 Monate Solarbetrieb in Abb. 13 dargestellt. Es zeigte sich, dass
der mittlere Gesamt-η von 72 % (=85,2 % bezogen auf oberen H2-Heizwert) mit
einer Schwankungsbreite von +/- 2 % bei dem DLR-Elektrolysekonzept unab-
hängig von der elektrischen Eingangsleistung ist. Das heißt, dass sowohl das
Betriebs- und das verfahrenstechnische Konzept als auch die Elektroden an die
dynamischen Betriebsbedingungen des Solarbetriebs perfekt angepasst sind.
Dezentrale Herstellung von Wasserstoff durch Elektrolyse, Brinner, Hug, 2002
Abb. 13: Langzeit-Solarbetrieb eines fortschrittlichen alkalischen 10 kW Elektrolyseurs
350 kW PV-Elektrolyseanlage
H2-Herstellung: 91,76%
H2-Kompression: 0,25%
Elektronik: 1,18%
Elektrolysekühler: 1,64%
Anlagenkühler: 5,11%
H20-Aufbereitung:0,06%
Energieverbrauch im SolarbetriebDatenbasis: September 1993 - Juni 1995
Abb.14: Anlagenenergieverbrauch im Solarbetrieb
Zwischen September 1993 und Juni 1995 wurde an der 350 kW-Anlage ein
Untersuchungsprogramm zum Gesamtenergieverbrauch eines PV-Elektrolyse-
systems durchgeführt, dessen Ergebnisse in Abb. 14 dargestellt sind. Von der
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gesamten aufgenommenen elektrischen Leistung werden fast 92 % direkt zur
H2-Herstellung dem Elektrolyseblock zugeleitet. Nur knapp 8 % der Leistung
werden für den Systembetrieb und die Druck-Wasserstoffspeicherung benötigt.
Davon wiederum wird der größte Anteil für die Kühlung benötigt.
0 100 200 300 400 5001,4
1,6
1,8
2,0
2,2
2,4
2,6
Zells
pann
ung/
V
Stromdichte/ mA/cm2
1
600 cm2
K & A: bl. NiP = 400 kPa
3600 cm2
K & A: VPSP = 400 kPa
0 100 200 300 400 5001,4
1,6
1,8
2,0
2,2
2,4
2,6
3,5
4,0
4,5
5,0
5,5
6,0
Spez
. Ene
rgie
verb
rauc
h/ k
Wh/
Nm
3
2
2500 cm2
K: APS; A: bl. NiP = 700 kPa
Abb. 15: Vergleich von Kennlinien unterschiedlicher Elektrolysetechnologien bei 70°C
7) Zusammenfassung
Seit 25 Jahren werden hauptsächlich von deutschen und saudi arabischen For-
schungseinrichtungen und Industriefirmen große Anstrengungen unternommen,
die alkalische Elektrolysetechnik für die Herstellung von Wasserstoff als Sekun-
därenergieträger zu entwickeln und verfügbar zu machen. Für diese Anstren-
gungen war dabei das Programm HYSOLAR der Hauptinitiator. Mit Bezug auf
die rasante Brennstoffzellenentwicklung, die Anfang der 90iger Jahre einsetzte,
kann mit Sicherheit gesagt werden, dass die Technologie der emissionsfreien,
effizienten H2-Herstellung mit regenerativen Energiequellen verfügbar ist. Es
fehlt momentan noch der H2-Bedarf, um die Entwicklungsergebnisse großindu-
striell, serientauglich und preiswert umzusetzen.
Dezentrale Herstellung von Wasserstoff durch Elektrolyse, Brinner, Hug, 2002