Digitaler Zwilling soll bei Optimierung der Elektrolyse helfen

Gemeinsam mit einem deutschen Industriepartner und vier kanadischen Partnern aus Industrie und Wissenschaft wollen Forschende am Zentrum für Energietechnik (ZET) der Universität Bayreuth die Kosten bei der elektrolytischen Erzeugung von Wasserstoff senken.

Als besonders geeignet zur industriellen Produktion von grünem Wasserstoff stufen die Forschungspartner Elektrolyseanlagen ein, die auf dem Verfahren der Protonen-Austausch-Membran (PEM) basieren. Diese Wasserstofftechnologie zeichnet sich durch einen hohen Wirkungsgrad aus und gilt als besonders gut geeignet für den flexiblen Betrieb mit volatilem Strom aus erneuerbaren Energien. Diese Dynamik bei der Fahrweise des Elektrolyseurs kann jedoch laut Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler dazu führen, dass die zu Stacks zusammengefassten Elektrolysezellen vorzeitig altern. Die Folge: Die Lebensdauer und die Leistung der Anlage insgesamt verringern sich. 

Diese Prozesse im industriellen Maßstab abhängig von der Betriebsweise genau vorherzusagen, ist jedoch, wie die Partner mitteilen, bislang nicht möglich. Als Grund geben sie die an der Elektrolyse beteiligten komplexen Vorgänge und die geringe Langzeit-Betriebserfahrung mit PEM-Elektrolyseuren an. Hier setzt das Verbundprojekt "Modellentwicklung zur Steigerung der Effizienz von Elektrolyseanlagen (Hyer)" an. Die Forschungspartner wollen ein digitales techno-ökonomisches Modell einer PEM-Elektrolyseanlage entwickeln, die mit erneuerbaren Energiesystemen gekoppelt ist und sich dynamisch betrieben wird.

Digitale Abbildung der Elektrolysevorgänge

In Verbindung mit Hard- und Softwareanwendungen soll dieses Modell die Vorhersage von Alterungsvorgängen und Verringerung der Leistungsfähigkeit mit hoher Genauigkeit ermöglichen. Das angestrebte Modell umfasst dazu auch, wie es weiter heißt, den digitalen Zwilling eines Stacks, der die Folgen einer dynamischen Betriebsweise für die Elektrolysezellen abbilden soll.

An der Entwicklung des Zwillings werden Forschende des Institute for Integrated Energy Systems an der University of Victoria und des National Research Council Canada (NRC) mit Methoden der künstlichen Intelligenz und des maschinellen Lernens arbeiten. Die zur Modellierung nötigen experimentellen Daten stellt das Hydrogen Research Institute der "Universite du Quebec a Trois-Rivieres" bereit, das zusammen mit dem NRC neuartige Stacks herstellt, analysiert und charakterisiert.

Diese Stacks werden in einem speziell für das Hyer-Projekt entwickelten Prüfstand bei der "SEGULA Technologies GmbH", einem Ingenieursdienstleister in Rüsselsheim am Main (Hessen) getestet und beschleunigt gealtert. Für die elektrochemische Charakterisierung der Stacks wird das in Toronto ansässige Start-up Pulsenics Inc. die erforderlichen technischen Lösungen liefern.

Dem Bayreuther Forschungsteam obliegt unter Leitung von Prof. Dieter Brüggemann, Direktor des ZET, die techno-ökonomische Simulation und Optimierung des PEM-Elektrolyseurs. Brüggemann: "Unser Ziel ist es, einen guten Kompromiss zwischen einer langen Lebensdauer und einer hohen Flexibilität der Elektrolyseanlage zu finden." Von dem Modell sollen, so Brüggemann weiter, auch Projektentwickler und Anlagenbetreiber profitieren, da es durch datengestützte Regelungs- und Betriebsstrategien einen vorhersehbaren kostenoptimierten Anlagenbetrieb möglich macht. 

Matthias Welzl, am ZET Koordinator für Wasserstoffforschung und -technologien, ergänzt: "Seit über einem Jahr arbeiten wir gemeinsam intensiv an der Ausgestaltung des Projekts. Dabei entwickelte sich insbesondere mit den beiden Projektverantwortlichen unserer Industriepartner, Mariam Awara und Dr. Stephan Wagner, ein enger Kontakt." Awara ist COO und Mitgründerin des kanadischen Start-up Pulsenics Inc., dessen elektrochemisches Monitoring- und Regelungssystem Basis für die Projektumsetzung ist.

Stephan Wagner wird als Projektingenieur und Experte für Wasserstofftechnologien die Arbeiten bei der Segula Technologies GmbH leiten. Welzl zu den weiteren Planungen: "Demnächst werden wir nach Kanada reisen, um auch die anderen Partner persönlich kennenzulernen und die Projektarbeit mit einem Kickoff-Workshop offiziell zu starten."

Das Bundesforschungsministerium unterstützt das Vorhaben für drei Jahre, die Universität Bayreuth erhält insgesamt rund 250.000 Euro.