Mit dem fortschreitenden Ausbau erneuerbarer Energien gewinnt Wasserstoff als speicherbarer Energieträger zunehmend an Bedeutung. Die Polymerelektrolytmembran-Wasserelektrolyse (PEMWE) stellt dabei eine besonders vielversprechende Technologie für die Wasserstoffproduktion dar, da sie hohe Stromdichten und Wirkungsgrade, kurze Ansprechzeiten sowie einen flexiblen Teillastbetrieb ermöglicht und sich einfach skalieren lässt. Diese Eigenschaften machen sie zudem besonders geeignet für den Einsatz in Kombination mit im Ertrag schwankenden erneuerbaren Energiequellen.
Ein zentrales Hemmnis für den wirtschaftlichen Betrieb von PEMWE-Systemen ist die Wasserqualität. So sind mehr als 80 % der Ausfälle auf Verunreinigungen im Prozesswasser zurückzuführen. Dabei wird zwischen Verunreinigungen, die aus unzureichend aufbereitetem Speisewasser stammen (z. B. Ca²⁺, Mg²⁺, K⁺), und Verunreinigungen, die aus Zell- und Systemkomponenten freigesetzt werden (z. B. Fe³⁺, Ni²⁺, Cr³⁺), unterschieden. Kationische Verunreinigungen können den Ionenwiderstand der Membran erhöhen, Katalysatorelektroden deaktivieren und durch Radikalbildung die Membrandegradation beschleunigen. Trotz der erheblichen Auswirkungen existieren bislang keine spezifischen Mitigations- oder Regenerationsstrategien auf Zell- und Stapelebene.
Vor diesem Hintergrund verfolgt das Projekt ECatWErecovery, das Ziel, effiziente und kostenoptimierte elektrochemische sowie chemische Regenerationsstrategien für kontaminierte PEMWE-Zellen und Stapel zu entwickeln. Das Projekt wird gemeinsam vom Steinbeis Innovationszentrum energieplus (siz energieplus) in Braunschweig und der Universität Hamburg durchgeführt. Die experimentellen Arbeiten finden am Hydrogen Terminal Braunschweig statt.
Das Arbeitsprogramm gliedert sich in zwei aufeinander aufbauende Arbeitspakete. Im ersten Arbeitspaket werden zunächst Regenerationsprotokolle an kontaminierten Einzelzellen erprobt. Anschließend werden die vielversprechendsten Protokolle auf Stapelebene übertragen und hinsichtlich ihrer Übertragbarkeit bewertet. Darauf aufbauend werden gemeinsam von der Universität Hamburg und siz energieplus die kritischen Faktoren zur Wiederherstellung der PEMWE-Performance identifiziert. Die entwickelten Regenerationsstrategien werden dabei von siz energieplus hinsichtlich ihrer technischen Machbarkeit und Wirtschaftlichkeit bewertet, sodass sich hieraus erste Grundlagen für praxisnahe Handlungsempfehlungen ableiten lassen.
Im zweiten Arbeitspaket, das im Kern von siz energieplus bearbeitet wird, werden die Auswirkungen der Regenerationsmaßnahmen auf den laufenden Betrieb untersucht. Im Vordergrund stehen dabei insbesondere Ausfallzeiten, Wartungszyklen sowie weitere betriebswirtschaftlich relevante Aspekte des Elektrolyseurbetriebs. Abschließend wird eine Bewertungsmatrix, die sämtliche Einflussfaktoren aus allen Tasks zusammenführt und übersichtlich darstellt, erarbeitet. Aus dieser Matrix werden konkrete Handlungsempfehlungen für die Integration von Regenerationszyklen in den regulären Betriebsablauf von PEMWE-Stapeln abgeleitet.
Das Vorhaben kann einen wichtigen Beitrag zur Steigerung der Zuverlässigkeit und Wirtschaftlichkeit von PEMWE-Systemen leisten und unterstützt damit die Umsetzung der nationalen Wasserstoffstrategie sowie die Klimaschutzziele der Bundesregierung und der Europäischen Union.
AP 1: Entwicklung einer Regenerationsstrategie
AP 2: Validierung im laufenden Betrieb