Autonome Energieversorgung mit Wasserstoff aus erneuerbaren Energien

Die Entwicklung von Elektrolyseuren für die Wasserstoffherstellung in autonomen Energieversorgungssystemen zählt zu den Kernkompetenzen des Fraunhofer ISE im Bereich Wasserstofftechnologie. Im Auftrag des Instituts für Energietechnik ife (Institutt for Energietekknik) in Kjeller, Norwegen, haben die Freiburger Forscher jetzt eine Elektrolyse-Einheit gebaut, die als Gesamtsystem mit Photovoltaikmodulen, Batterie, Wasserstoffspeicher und Brennstoffzelle im Labor des ife in Norwegen untersucht wird. Die Dynamik des Systems sowie der optimale Betrieb stehen dabei im Mittelpunkt.

Wasserstoff ist das häufigste Element der Erde und kann bei der Reaktion mit Luftsauerstoff große Mengen an Energie freisetzen. Diese chemische Energie kann mit hohem Wirkungsgrad in einer Brennstoffzelle kontrolliert in Strom und nutzbare Wärme umgewandelt werden. Brennstoffzellen sind effiziente Energiewandler, die umweltfreundlich, geräuscharm und wartungsarm arbeiten. Diese Eigenschaften regen seit langem die Phantasie von Forschern an, um die Vision einer schadstofffreien Energieerzeugung zu verwirklichen.

Da Wasserstoff jedoch in der Natur nicht in reiner Form vorkommt, muss er aus anderen Stoffen gewonnen werden. Eine Möglichkeit ist die Zerlegung von Wasser durch die Elektrolyse. Kommt der hierfür benötigte Strom aus regenerativen Quellen wie Photovoltaik, so ist das Ziel einer nachhaltigen und dezentralen Energiewirtschaft erreicht.

Wo eine vom Netz unabhängige Stromversorgung erforderlich ist, werden heute meist Diesel-Generatoren eingesetzt. Diese tragen jedoch zu einem erhöhten CO₂-Ausstoß bei und sind obendrein wartungsintensiv. Photovoltaikanlagen in Kombination mit Wasserstofftechnologie bieten eine umweltfreundliche und nachhaltige Energieversorgung fernab vom Netz.

Da die Sonne nicht unentwegt scheint, muss die in der Solarstromanlage gewonnene Energie gespeichert werden. Im Falle der Kurzzeitspeicherung geschieht dies mit Hilfe von Batterien. Für die Langzeitspeicherung bedarf es jedoch anderer Lösungen. Will man das Überangebot an Solarstrahlung im Sommer für die Nutzung während der Winterperiode gewinnen, wird der überschüssige Strom in einem Elektrolyseur zur Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff genutzt. Der Wasserstoff wird als Energieträger in speziellen Tanks gespeichert und im Bedarfsfall in einer Brennstoffzelle zur Stromgewinnung verwendet.

Der vom Fraunhofer ISE für das norwegische Institut gebaute Elektrolyseur produziert bei einer maximalen Leistung von 2 kW 450 Normliter Wasserstoff pro Stunde. Die Anlage arbeitet nach dem Prinzip der PEM (Polymer-Elektrolyt-Membran)- Elektrolyse und liefert Wasserstoff bei einem Druck von 15 bar. Die Beschichtung der protonenleitenden Membran wurde im Labor des Fraunhofer ISE vorgenommen, eine zusätzlich aufgebrachte Diffusionssperre erhöht die Reinheit des erzeugten Wasserstoffs. Die das Gesamtsystem ergänzende Brennstoffzelle hat 500 W elektrische Leistung, der Wasserstoffspeicher auf Basis von Metallhydriden ein Volumen von 15 Nm³. Die Anlage ist automatisiert und auf Knopfdruck zu bedienen.

Bereits im vergangenen Jahr hatte das Fraunhofer ISE im Rahmen eines EU-Projekts eine kleinere Elektrolyse-Anlage entwickelt. Diese ist in der Lage, als Teil eines Energieversorgungssystems einen Telekommunikationssender autark und wartungsfrei zu versorgen und wird derzeit in Spanien im Feld getestet.

Das Fraunhofer ISE präsentiert seine Aktivitäten im Bereich Wasserstofferzeugung auf der H₂-Expo in Hamburg vom 10.-12. Oktober 2002, Stand 4150.

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