2,2 Millionen Euro Forschungsförderung für Wasserstofftechnologie Grüne Energie im Chipformat – Forscherteam um Detlef Schulz führt Wasserstofftechnologien in die nächste Generation

Busse, die mit langlebigen, robusten Brennstoffzellen nahezu emissions- und geräuschlos durch Städte fahren, umweltfreundliche Speicher, die Strom aus Windenergie ohne Wirkungsgradverlust in Gas umwandeln und selbst in kleinsten Anlagen Platz finden – solche noch vagen Zukunftsszenarien könnten bald Wirklichkeit werden. An der Professur für Elektrische Energiesysteme der Helmut-Schmidt-Universität in Hamburg startet Univ.-Prof. Dr.-Ing. Detlef Schulz ein neues, innovatives Forschungsprojekt. Aufbauend auf nationalen und internationalen Patenten entwickelt sein Team neuartige Wasserstofftechnologien der nächsten Generation. 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.

Im ersten Teilprojekt werden die Forscher neue Steuerverfahren an Membranen von PEM-Brennstoffzellsystemen (PEM steht für 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 geschieht, 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 Versorgungsicherheit 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.

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.“ Heute wird der 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. „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 Prototyp der High efficiency fuel cell mit integriertem Wasserstoffspeicher im Gasauslasskanal hält Detlef Schulz bereits seit 2013 ein Patent.

Das Ziel ist hoch gesetzt: „Wenn uns die Methanisierung im Gasauslasskanal gelingt, könnten in Zukunft kleine dezentrale Methanisierungsanlagen gebaut werden und die bisher sehr großen Anlagen ersetzen.“ Beide Teilprojekte wird Detlef Schulz in den kommenden drei Jahren mit drei Mitarbeitern und in Kooperation mit der Altran Deutschland S.A.S. & Co. KG im universitätseigenen Brennstoffzellenlabor durch- und am Ende zusammenführen.

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