An der Professur für Elektrische Energiesysteme der Helmut-Schmidt-Universität/Universität der Bundeswehr (HSU) in Hamburg startet Professor Detlef Schulz ein innovatives Forschungsprojekt: Sein Team entwickelt neuartige Wasserstofftechnologien der Zukunft. Das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie fördert das Projekt bis 2021 mit knapp 2,2 Millionen Euro.
„Im Grunde bearbeiten wir zwei Teilprojekte, die wir anschließend zusammenführen wollen. Zum einen analysieren wir elektrisch steuerbare Membraneinheiten in Brennstoffzellen, zum anderen entwickeln wir eine interne Methanisierung erneuerbarer Energien innerhalb eines Elektrolyseurs, um die bisher hohen Wirkungsgradverluste bei nachgeordneten Verfahren zu vermindern“, sagt Detlef Schulz.
Dünn wie eine Regenjacke
Im ersten Teilprojekt werden die Forscher neue Steuerverfahren an Membranen von sogenannten PEM-Brennstoffzellsystemen (PEM = Polymerelektrolyt) realisieren. Diese reagieren zwar relativ schnell auf dynamische Laständerungen, unterliegen dabei aber Spannungs- und Leistungseinbrüchen im Bereich mehrerer Sekunden. Diese Einbrüche werden in Pilotprojekten beispielsweise bei Bussen unter anderem über zusätzliche Batterien aufgefangen. Das erzeugt Zusatzkosten, erfordert Platz und bedeutet ein Mehr an Gewicht.
„Mit einer elektrisch steuerbaren Membran könnten wir die Reaktionsgeschwindigkeit direkt beeinflussen und Spannungs- und Leistungseinbrüchen gezielt entgegenwirken“, sagt Detlef Schulz. Dies geschehe, indem „wir in die Membran, die an sich ja sehr dünn ist, Steuergitter einbringen. Man kann sich die Membran so vorstellen wie den luftdurchlässigen Stoff einer Regenjacke. Die Steuergitter werden in mehreren Schichten aufgedampft und gut verteilt.“
PEM-Brennstoffzellen sind eigentlich sehr gut in hoher Stückzahl produzierbar. Um Spannungs- und Leistungseinbrüche aufzufangen und damit die Versorgungssicherheit zu garantieren, werden diese Zellen heute jedoch von vornherein sehr viel größer dimensioniert, so Detlef Schulz. Steuergitter würden die Lebensdauer und Versorgungssicherheit der PEM-Brennstoffzellen verlängern. Die Zellen könnten zudem sehr viel kleiner geraten. Dies wird der bisher eher zögerlichen stationären, aber auch mobilen Marktdurchsetzung derartiger Systeme entgegenwirken.
Verluste bei Power-to-Gas verringern
Das zweite Teilprojekt beschäftigt sich mit der Langzeitspeicherung der durch Wind oder Sonne gewonnenen fluktuierenden elektrischen Energie. „Deren Umwandlung in chemische Energieträger, etwa in Wasserstoff und Methan, bietet noch erhebliches Optimierungspotential“, so Schulz. Heute wird der durch Power-to-Gas erzeugte Wasserstoff entweder direkt in die Erdgasleitung eingespeist oder in einer nachgeschalteten Apparatur über zwei Stufen zu Methan umgewandelt. Dabei treten spürbare Wirkungsgradverluste auf.
Schulz äußert sich dazu: „Würde der Wasserstoff intern im Gasauslasskanal des Elektrolyseurs umgewandelt, also methanisiert, könnte der in das Erdgasnetz einspeisbare Anteil an erneuerbaren Energien wesentlich erhöht werden, was nebenbei die Temperatursynergien besser nutzt und die Prozesseffizienz steigert. Das ist technisch sehr anspruchsvoll, aber wir haben schon einige Ideen, wie es gelingen kann.“ Auf den Prototypen der High Efficiency Fuel Cell mit integriertem Wasserstoffspeicher im Gasauslasskanal hält Detlef Schulz seit 2013 ein Patent. „Wenn uns die Methanisierung im Gasauslasskanal gelingt, könnten in Zukunft kleine dezentrale Methanisierungsanlagen gebaut werden und die bisher sehr großen Anlagen ersetzen.“
Energieträger Wasserstoff
Beide Teilprojekte wird Detlef Schulz in den kommenden drei Jahren mit drei Mitarbeitern und in Kooperation mit Altran im universitätseigenen Brennstoffzellenlabor durch- und am Ende zusammenführen. „Ihre Umsetzung bedeutet einen großen Schritt für die Einsatzfähigkeit von Wasserstofftechnologien in elektrischen Energiesystemen. Wasserstoff hat als Energieträger enormes Potential. Deshalb forschen wir weiter an derartigen Technologien.“
Laut Schulz könne mit der zu erforschenden Technologie auch die Sektorenkopplung, das heißt die flexible Kopplung von Strom-, Gas- und Wärmenetz, weiter vorangetrieben werden. Die Grundidee bestehe darin, medienübergreifende Speichermöglichkeiten und damit mehr Freiheitsgrade zu schaffen.
