Die Wasserstoffproduktion – vor allem in Europa – hinkt den Erwartungen hinterher. Die Industrie arbeitet unter Hochdruck an der Weiterentwicklung von Elektrolyseuren sowie effizienten Brennstoffzellen. Mit Unterstützung ingenieurtechnischer Simulationen kann dieser Prozess beschleunigt werden. Gleichzeitig bieten sich wertvolle Ansätze zur Verbesserung der Wasserstoff-Stacks.
Insgesamt liegen die Herausforderungen für die Leistung und Sicherheit von Elektrolyseuren und Brennstoffzellen in der Dichtheit, dem Wärmemanagement, der Strömungsverteilung und dem Verhalten bei lokalen Explosionen. Physische Tests bringen Erkenntnisse über die Dichtheit und mögliche Verbesserungen zur Struktur des Stacks. Jedoch nicht derart im Detail, wie Simulationen dies tun.
Simulationen steigern Sicherheit und Effizienz von Elektrolyseuren
Explosionen in einer oder mehreren Zellen, als auch Explosionen innerhalb der Kanäle, können simuliert und deren Auswirkungen nachvollzogen werden. Bei physischen Versuchen können wertvolle Informationen nur an einzelnen Sensorpositionen gewonnen werden. Das komplette Explosionsgeschehen ist nicht in seiner Gänze nachvollziehbar. Zudem muss für jeden Versuch ein neuer Elektrolyseur gebaut werden. Die sich ergebenden Druckverteilungen aus einer Explosion, die über eine Simulation gewonnen werden, lassen sich für den eigentlichen Nachweis als Zeitfunktionen auf das FE-Modell übertragen und bewerten. Insbesondere ist auch hier die Dichtheit ein ausschlaggebendes Bewertungskriterium, um Explosionsherde lokal zu begrenzen. Da die ganzheitliche Simulation den Ablauf der Explosion sehr präzise zeigt, können anhand der Bilder und Videos Druckausbreitungen besser verstanden werden.
Der große Vorteil in der ingenieurstechnischen Simulation liegt darin, dass viele der Tests und Anforderungen aus der ISO 22734 – Wasserstofferzeuger auf der Grundlage von Elektrolyse von Wasser – über die Simulation untersucht werden können, unter anderem der Druckversuch nach 5.2.5, Mechanische Festigkeit nach 5.2.13 oder der Stabilitätstest nach 5.2.14. Mittels Simulationen lassen sich Temperatur- und Stromdichteverteilungen analysieren, welche die Effizienz und Lebensdauer der Zellen beeinflussen. Merkle Cae Solutions arbeitet auch bereits an Simulationen zu neuen Werkstoffen, wie beispielsweise von Geweben und Metallschäumen als Elektrodenwerkstoff, um die Stromdichte und damit die Performance von Elektrolyseuren und Brennstoffzellen zu erhöhen.
Simulationen beschleunigen die Marktreife und steigern die Effizienz von Wasserstofftechnologien
„Die Größe und damit die Leistung, Aufbau sowie Dichtheit, Sicherheit und Effektivität von Stacks können mittels Simulationen klar verbessert werden. Dies realisieren wir aktuell in mehreren Projekten für den industriellen Einsatz. Der Nutzen von Simulationen kann hier gar nicht genug betont werden. Wir haben es immer mehr mit Technologien zu tun, die über reine physikalische Tests zwar verständlicher, aber nicht transparent genug werden. Wir möchten unseren Kunden Empfehlungen zur Verbesserung der Struktur, zur Verbesserung der Effizienz und zur Beschleunigung der Technologien bis zur Marktreife geben. Dabei haben Simulationen, vor allem im Wasserstoffumfeld, bereits wertvolle Unterstützung geleistet“, so Dipl.-Ing. (TU) Stefan Merkle, Geschäftsführender Gesellschafter der Merkle Cae Solutions.
Merkle Cae Solutions arbeitet seit Ende der 90er Jahre an der Entwicklung von Elektrolyseuren und Brennstoffzellen sowie deren Peripherie. Parallel zur bestehenden Erfahrung ist Merkle Cae Solutions aktiver Partner in mehreren Forschungsprojekten zur Weiterentwicklung der Wasserstoff-Technologie, unter anderem der AEM-Wasserelektrolyse.
