Brennstoffzelle
- Planung, Konstruktion und Realisation von automatisierten Montageanlagen für Brennstoffzellen- und Brennstoffzellen-Stacks
Wasserstofftechnologie
EBZ und Wasserstoff – unsere Rolle in der Zukunftstechnologie
Die EBZ-Gruppe gehört zu den Top-Zulieferern der Automobilbranche und ist auf den Werkzeug- und Anlagenbau spezialisiert. Mit unserer langjährigen Erfahrung in diesen Bereichen setzen wir unsere Kompetenzen nun gezielt im Bereich der Wasserstofftechnologie ein.
Neben der Planung, Konstruktion und Realisierung von Produktionsanlagen für Brennstoffzellen entwickeln und produzieren wir hochmoderne alkalische Druckelektrolyseure.
Warum Wasserstoff? – Ein Energieträger mit Zukunft
Mit dem kontinuierlichen Ausbau erneuerbarer Energien steigt der Bedarf an effizienten Energiespeichertechnologien, da Wind- und Solarenergie nicht konstant verfügbar sind. Wasserstoff kann überschüssige elektrische Energie in chemische Energie umwandeln, welche in großen Mengen gespeichert und später flexibel genutzt werden kann.
Wasserstoff ist nicht nur ein vielseitiger Energieträger, sondern auch ein unverzichtbarer Rohstoff in verschiedenen Bereichen der Industrie:
- Industrie – Nutzung als Rohstoff in der chemischen Industrie (z.B. Düngemittelherstellung, Ammoniaksynthese) und der Stahlproduktion (z.B. Direktreduktionsverfahren).
- Energiewirtschaft – Speicherung von Stromüberschüssen und Rückverstromung
- Mobilität – Antrieb für Brennstoffzellenfahrzeuge und Wasserstoffverbrennungsmotoren.
- Wärmeerzeugung – Direkte Nutzung für industrielle Prozesse
Dank seiner vielfältigen Einsatzmöglichkeiten nimmt Wasserstoff eine zentrale Rolle in der Energiewende ein und hilft, fossile Energieträger langfristig zu ersetzen.
Wie wird Wasserstoff hergestellt?
Der Großteil des weltweit produzierten Wasserstoffs wird derzeit nicht durch Elektrolyse, sondern aus fossilen Energieträgern gewonnen. Die dafür hauptsächlich eingesetzten Verfahren sind die Dampfreformierung und die Kohlevergasung.
Obwohl die Elektrolyse derzeit nur einen kleinen Anteil der globalen Wasserstoffproduktion ausmacht, gilt sie als die nachhaltigste Methode. Mithilfe von elektrischem Strom wird Wasser in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff gespalten. Wird für diesen Prozess Strom aus erneuerbaren Energiequellen genutzt, kann Wasserstoff vollständig klimaneutral produziert werden. Während Wasserstoff aus fossilen Quellen als „grauer“ oder „brauner“ Wasserstoff bezeichnet wird, spricht man bei der Herstellung mittels erneuerbarer Energien von „grünem“ Wasserstoff.
Neben der Möglichkeit der CO₂-freien Herstellung des Wasserstoffs bietet die Elektrolyse den Vorteil, die Produktion flexibel an das Angebot erneuerbarer Energien wie Wind- und Solarenergie anzupassen. Ein weiterer entscheidender Faktor ist die hohe Reinheit des erzeugten Wasserstoffs mittels Elektrolyse. Im Gegensatz zur Kohlevergasung und Dampfreformierung entstehen bei der Elektrolyse keine Katalysatorgifte wie CO, SO oder SOX. Diese Stoffe lassen sich durch eine Aufreinigung aus dem Wasserstoff zwar entfernen, dies ist jedoch mit deutlich erhöhtem Aufwand im Vergleich zu der für die Elektrolyse notwendigen Reinigung verbunden.
AEL – Alkalische Elektrolyse:
Die alkalische Elektrolyse (AEL) ist die am längsten etablierte Technologie und wird bereits seit Jahrzehnten industriell genutzt. Sie basiert in der Regel auf einer flüssigen Kalilauge (KOH) als Elektrolyt, durch die Hydroxidionen zwischen der Anode und Kathode transportiert werden. Im Gegensatz zu anderen Elektrolyse-Technologien kommt AEL in der Regel ohne Edelmetall-Katalysatoren aus. Als Elektrodenmaterialien werden häufig nickelbasierte Werkstoffe eingesetzt, was die Kosten deutlich reduziert. Die Trennung von Wasserstoff und Sauerstoff erfolgt über ein Diaphragma.
Durch ihre Langlebigkeit, Skalierbarkeit und geringe Materialkosten eignet sich die AEL besonders für industrielle Anwendungen.
In einer modernen Varianten der AEL findet die Wasserstoffproduktion unter Druck statt. Besonders im Zusammenspiel mit erneuerbaren Energien überzeugen der Elektrolysebetrieb unter Druck, durch die optimale Eignung für den dynamischen, intermittierenden Betrieb. Der Elektrolyseur der EBZ nutzt genau diese technologische Weiterentwicklung zu seinem Vorteil und produziert Wasserstoff bei einem Druckniveau von 30 bar.
PEM – Polymer-Elektrolyt-Membran Elektrolyse
Bei der Polymer-Elektrolyt-Membran Elektrolyse wird eine feste Polymermembran (PTFE-Basis) zur Leitung der Protonen und Gastrennung verwendet. Diese Membran trennt den Anoden- und Kathoden-Raum und leitet ausschließlich Protonen (H⁺-Ionen) von der Anode zur Kathode.
Trotz der gleichen elektrochemischen Reaktionen unterscheidet sich das Funktionsprinzip der PEM-Elektrolyse zur alkalischen Elektrolyse deutlich. Beispielsweise wird bei der PEM-Elektrolyse keine Lauge zugeführt. Die bei der Erzeugung von Sauerstoff freiwerdenden H+-Ionen werden durch die ionen-leitfähige Membran zur Kathode transportiert, wo der Wasserstoff erzeugt wird. Dadurch gibt es an der Kathode praktisch kein flüssiges Wasser. Der Ionen Transport findet durch einen sauren (statt alkalischen - AEL) Elektrolytanteil statt. Dieser ist bereits in die Membran integriert.
Die Anode wird mit dem sehr teuren und seltenem Edelmetall Iridium sowie Ruthenium beschichtet. Auf der Kathoden Seite finden in der Regel Platingruppenmetalle Verwendung. Dies macht die Technologie besonders kostenintensiv und die Materialbeschaffung komplex.
Dennoch zeichnet sich die PEM-Elektrolyse durch ihre kompakte Bauweise und flexible Betriebsweise aus.
SOEC – Solid Oxide Elektrolyse
Die SOEC-Technologie (Festoxid-Elektrolyse) basiert auf keramischen Membranen, die nur bei hohen Temperaturen (700–900°C) leitfähig sind. Der große Vorteil dieser Technologie liegt darin, dass ein Teil der für die Elektrolyse notwendige Energie durch thermische Energie zugeführt werden kann.
SOEC-Systeme befinden sich derzeit noch in der Entwicklungsphase und könnten in Zukunft in Industrieprozessen mit sehr hohen Temperaturen besonders effizient eingesetzt werden. Damit die Zellen die notwendige Betriebstemperatur erreichen können ist ein gewisser zeitlicher Vorlauf notwendig, dadurch eignen sich SOEC-Systeme nur bedingt für den intermittierenden Betrieb.
AEM – Anion Exchange Membrane Elektrolyse
Die AEM-Elektrolyse kombiniert Elemente der AEL- und PEM-Elektrolyse. Die AEM-Technologie nutzt anstelle von flüssigen Elektrolyten eine feste Anionenaustauschmembran, durch die OH⁻-Ionen von der Kathode zur Anode transportiert werden. Die KOH-Konzentration ist bei der AEL-Elektrolyse deutlich niedriger als bei der AEL, was die Degradation verlangsamt und den verschleiß reduziert.
Der Vorteil dieser Technologie ist die Möglichkeit, kostengünstige Materialien (im Vergleich zur PEM) zu verwenden und gleichzeitig die kompakte Bauweise der PEM-Technologie zu nutzen, ebenso eignet sich diese Technologie für den intermittierenden Betrieb. Derzeit befindet sich die AEM-Elektrolyse noch in der Entwicklungs- und Testphase, erste Demonstrationsprojekte sind in Arbeit. Aktuelle Herausforderungen im Bereich der AEM-Elektrolyse liegen vor allem in der Langlebigkeit der Austauschmembranen.
Funktionsweise der Brennstoffzelle
Eine Brennstoffzelle ist ein elektrochemisches System, das Wasserstoff und Sauerstoff direkt in elektrische Energie, Wärme und Wasser umwandelt – effizient, leise und emissionsfrei. Im Gegensatz zu herkömmlichen Verbrennungsprozessen erfolgt diese Umwandlung nicht durch thermische Reaktionen, sondern durch eine kontrollierte elektrochemische Reaktion. Der grundlegende Aufbau einer Brennstoffzelle besteht aus einer Anode, einer Kathode und einer dazwischenliegenden Membran. An der Anode wird der zugeführte Wasserstoff durch einen Katalysator – in der Regel Platin – in Protonen und Elektronen aufgespalten. Während die Protonen durch die Membran zur Kathode wandern, müssen die Elektronen einen äußeren Stromkreis passieren, wodurch elektrischer Strom erzeugt wird. An der Kathode treffen Protonen, Elektronen und Sauerstoff schließlich zusammen und bilden reines Wasser als Reaktionsprodukt.
Ergänzt wird dieses Kernsystem durch weitere funktionale Komponenten. Gasdiffusionslagen sorgen für eine gleichmäßige Verteilung der Reaktionsgase und verbessern die elektrische Leitfähigkeit. Bipolarplatten übernehmen die Stromverteilung zwischen den einzelnen Zellen in einem Brennstoffzellenstack, regulieren den Gasfluss und unterstützen die Wärmeableitung. Dichtungssysteme verhindern das Austreten oder Vermischen der Gase, und über integrierte Kühl- sowie Versorgungsstrukturen wird ein stabiler und sicherer Betrieb gewährleistet.
Brennstoffzellen lassen sich vielseitig einsetzen. In der Mobilität ermöglichen sie den emissionsfreien Betrieb von Fahrzeugen mit hoher Reichweite und kurzen Betankungszeiten. In stationären Anwendungen versorgen sie Gebäude und Industrieanlagen effizient mit Strom und Wärme. Auch in netzfernen Regionen oder als Notstromlösung bieten sie eine zuverlässige und autarke Energieversorgung. Aufgrund ihrer hohen Effizienz, Umweltfreundlichkeit und Flexibilität gelten Brennstoffzellen als zentrale Technologie für eine nachhaltige Energiewende.
EBZ – Ihr Partner für Wasserstofftechnologie
Mit unserer Expertise in der Brennstoffzellenmontage und Elektrolyse treiben wir den Markthochlauf der Wasserstoffwirtschaft aktiv voran. Ob bei der Entwicklung innovativer Elektrolyseure oder in der Automatisierung von Produktionsprozessen – EBZ bietet Ihnen maßgeschneiderte Lösungen für eine nachhaltige und effiziente Wasserstoffzukunft.
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