Projekt Energie

Aufbau und Funktionsweise der Druckelektrolyseanlage

Vereinfachtes Anlagenschema, Lehrstuhl Kraftwerkstechnik BTU Cottbus-Senftenberg

Die Elektrolyseanlage besteht aus einem Elektrolysemodul, zwei Gasseparatoren mit integrierter Prozess- und Kühlwasserversorgung, einer Wasserstoffreinigungsanlage, sowie einer vorgeschalteten Demineralisierungsstufe für das Prozessmedium Wasser. Des Weiteren sind als Versorgungssysteme eine Elektrolytstation, ein Kühlsystem, sowie eine Stickstoff- und Steuerluftversorgung vorhanden. Die Stromversorgung wird mittels Transformators und Gleichrichter gewährleistet. Die untere Abbildung zeigt schematisch den Aufbau der Elektrolyseanlage.

Die Versorgung der Elektrolyseanlage erfolgt über einen Transformator für Drehstrom. Je nach Bedarf kann die Leistung stufenlos zwischen 0 und 150 % der Nominalkapazität (0..3000 A) geregelt werden.

Das Elektrolysemodul wurde in einer gekapselten Bauform ausgeführt. Der in der Druckkapsel eingebettete Stack ist umgeben von demineralisiertem Wasser. Sowohl der Druck im Stack, als auch der Druck des ihn umgebenden Wassers ist durch die gewählte Prozessführung annähernd identisch. Dies ermöglicht einen einfachen Aufbau des Stacks nach dem bewährten Filterpressenprinzip eines atmosphärischen Elektrolyseurs und senkt somit die Kosten des Stacks im Vergleich zu bisherigen Druckstacks ohne Kapsel. Des Weiteren erhöht sich die Eigensicherheit des Elektrolyseurs. Dies führt zum Wegfall der Ex-Schutz-Zone und senkt somit die Kosten der Nebenkomponenten.

 
Druckelektrolyseanlage, Lehrstuhl Kraftwerkstechnik BTU Cottbus-Senftenberg
H2-Tank, Lehrstuhl Kraftwerkstechnik BTU Cottbus-Senftenberg
Druckelektrolyseanlage, Lehrstuhl Kraftwerkstechnik BTU Cottbus-Senftenberg

Druckelektrolyseanlage

Druckelektrolyseur, Lehrstuhl Kraftwerkstechnik BTU Cottbus-Senftenberg

Die Druckelektrolyseanlage besteht aus einem Elektrolyseur, einer Reinigungs- und Trocknungsanlage für Wasserstoff, einem Druckspeicher Wasserstoff, einem Trafo/Gleichrichter, einer Speisewasserversorgung und Elektrolytaufbereitung, einem geschlossenen Kühlsystem, sowie einer Stickstoffversorgung und Steuerluftversorgung. Im Folgenden werden die einzelnen Komponenten näher erläutert.

Elektrolyseur

  • alkalische Elektrolyseanlage mit Kalilauge als Elektrolyten
  • Elektrolysestack in Enklave zur Realisierung des Anlagendrucks von bis zu 58 bar
  • Der Zwischenraum zwischen Stack und Enklave ist mit Deionat (demineralisiertem Wasser) gefüllt
  • Der Stack besteht aus 24 Zellen im Bipolaren Stack-design („Reihenschaltung“ der Zellen), welche nach dem Filterpressenprinzip zusammengefügt sind
  • Unter der Anordnung / Skit befindet sich eine Auffangwanne für Kalilauge
 
Druckelektrolyseuranlage, Lehrstuhl Kraftwerkstechnik BTU Cottbus-Senftenberg
Druckelektrolyseuranlage, Lehrstuhl Kraftwerkstechnik BTU Cottbus-Senftenberg

Funktionsweise der Wasserstoffproduktion

Über das Anlegen einer Gleichspannung wird das in der Elektrolyseanlage enthaltene demineralisierte Wasser (als Bestandteil der KOH-Elektrolytlösung) in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff gespalten. Das Kalium in der Elektrolytlösung verbraucht sich bei diesem Prozess nicht, es muss lediglich das gespaltene Wasser in die Lösung nachgespeist werden. Die Leistungsabgabe der Stromversorgung ist stufenlos zwischen 0 und 100 % (0..3000 A) regelbar.

Die Gase (Wasserstoff auf der Kathodenseite, Sauerstoff auf der Anodenseite) steigen in Form von Blasen aufgrund der geringeren Dichte gegenüber dem umgebenen Elektrolyten auf. Durch diesen Aufstieg, sowie der Erwärmung des Elektrolyten, durch die Verluste der Elektrolyse, bildet sich ein Dichteunterschied von oberem Zellenteil zu unterem Zellenteil aus. Es entsteht eine aufwärts gerichtete Strömung. Diese sorgt für das Nachströmen des, durch den Elektrolytkühler abgekühlten, Elektrolyten in die Zelle. Im Elektrolytkreislauf entsteht so eine natürliche Zirkulation (siehe Abbildung). Diese wird bei Bedarf mit einer Umwälzpumpe weiter verstärkt, um sicherzustellen, dass bei jeder vorgegebenen Leistung die Zellen genügend durchströmt werden. Vor allem im Druckbetrieb ist eine höhere Umwälzleistung aufgrund einer höheren flächenbezogenen H2 Produktion notwendig.

Allgemeine Aussagen zu Wasserstoff

Schematische Darstellung der Elektrolytzirkulation, Lehrstuhl Kraftwerkstechnik BTU Cottbus-Senftenberg

Wasserstoff ist das einfachste, chemische Element mit der Ordnungszahl 1 und wird durch das Elementsymbol H abgekürzt. Im Periodensystem steht es in der 1. Periode und der 1. Gruppe, nimmt also den ersten Platz ein. Wasserstoff kann über einen weiten Temperaturbereich und sogar bis zu hohen Drücken als ideales Gas angenommen werden.

Bei Standardbedingungen ist es ein:

  • brennbares,
  • farbloses,
  • geruchsloses,
  • geschmacksloses,
  • ungiftiges,
  • nicht korrosives,
  • nicht metallisches,
  • zweiatomiges Gas.

Es ist nicht gesundheitsschädlich solange es den Luftsauerstoff im nicht zu hohen Maße verdrängt.

Wasserelektrolyse

Prinzip der Wasserelektrolyse, U. Fischer, Lehrstuhl Kraftwerkstechnik BTU Cottbus-Senftenberg

Unter Wasserelektrolyse versteht man die Zerlegung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff mit Hilfe eines elektrischen Stromes.

Grundsätzlich werden drei Arten der Wasserelektrolyse unterschieden:

  1. alkalische Elektrolyse AEL
  2. Proton-Exchange-Membran (PEM) Elektrolyse
  3. Hochtemperatur Elektrolyse

Alkalische Elektrolyse AEL

Nach heutigem technologischem Stand der Technik, wird bei der alkalischen Elektrolyse (AEL) demineralisiertes Wasser, in Anwesenheit von einer Kaliumhydroxidlösung und unter der Voraussetzung einer Potenzialdifferenz von ca. 1.8-2.0 V zwischen der Kathode und Anode, in die Produktgase Wasserstoff und Sauerstoff gespalten.