Um unsere Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu verringern, muss die Welt auf erneuerbare Energiequellen wie Wind- und Sonnenenergie umsteigen. Außerdem müssen wir diese Energie dorthin bringen, wo sie am meisten gebraucht wird. Eine vielversprechende Methode für die Energiespeicherung und den Energietransport nutzt das am häufigsten vorkommende Element im Universum: Wasserstoff. Ein Polymerelektrolytmembran-Elektrolyseur (PEM-Elektrolyseur) nutzt Strom, um Wasserstoffgas aus Wasser zu gewinnen. Mit der Software COMSOL Multiphysics® können Sie den Betrieb eines PEM-Elektrolyseurs simulieren. Die Verbesserung des Wirkungsgrads dieses Geräts könnte dazu beitragen, dass gespeicherter Wasserstoff zu einer brauchbaren Alternative zu elektrischen Batterien und flüssigen fossilen Brennstoffen wird.
Die Herausforderungen der Wind- und Solarstromerzeugung
Die Stromerzeugung aus erneuerbaren Energiequellen trägt dazu bei, dass sich die Welt auf eine weniger kohlenstoffintensive Wirtschaft zubewegt, aber Energiequellen wie Wind und Sonne bringen ihre eigenen Herausforderungen mit sich. Es kann schwierig sein, die Produktion von Wind- und Solarenergie mit der Nachfrage der Verbraucher in Einklang zu bringen. Außerdem befinden sich die optimalen Standorte für Windturbinen und Solarmodule oft in abgelegenen Gebieten mit begrenzter Stromnetzkapazität. Diese Bedingungen machen eine verbesserte Energiespeicherung und einen verbesserten Energietransport zu einer unverzichtbaren Ergänzung des Ausbaus der erneuerbaren Energieerzeugung.
Elektrische Batterien sind ein bekanntes Mittel zur Energiespeicherung, aber der Abbau der in den Batterien verwendeten Metalle kann Umweltkosten verursachen, und auch die Entsorgung alter Batterien kann problematisch sein. Zwar wird intensiv an der Verbesserung des Batteriedesigns geforscht, doch angesichts des enormen Umfangs des künftigen Energiespeicherbedarfs sind auch andere Ansätze erforderlich.
Das Potenzial der wasserstoffbasierten Energiespeicherung
Ein auf Wasserstoff-Elektrolyse basierendes Energiespeichersystem könnte dazu beitragen, die Herausforderungen der dezentralen Wind- und Solarstromerzeugung zu bewältigen. Die Stromerzeugungsanlagen können Strom an die Elektrolyseure vor Ort liefern, die ihn dann zur Trennung von Wasserstoff und Wasser verwenden würden. (Dieser Prozess wird weiter unten ausführlich erläutert.) Der Wasserstoff wird dann aufgefangen, gespeichert und in Tanks oder über eine Pipeline dorthin transportiert, wo er benötigt wird. Elektrolytischer Wasserstoff wird auch für industrielle Anwendungen benötigt, z. B. für die Herstellung von “grünem Stahl“.
Obwohl sich dieser Ansatz in Tests als vielversprechend erwiesen hat, hat sich der Versorgungssektor noch nicht in großem Umfang für das Wasserstoff-Elektrolyseverfahren entschieden. Ein abschreckendes Hindernis sind die Kosten für die Herstellung von Elektrolyseuren.
Gewinnung von Wasserstoff aus Wasser mit PEM-Elektrolyseuren
In einer PEM-Elektrolysezelle sind zwei Elektrodenkammern durch eine Polymermembran getrennt. Flüssiges Wasser zirkuliert durch die Anodenseite. Durch die elektrolytische Aktivität wird ein Teil der Wassermoleküle in Sauerstoff- und Wasserstoffgas gespalten, die durch die Membran wandern und sich auf der Kathodenseite ansammeln.
Die Mechanismen eines Elektrolyseurs. Bild von Davidlfritz — Photoshop. Lizensiert unter CC BY-SA 3.0, über Wikimedia Commons.
Diese Elektrolyse-Methode bietet wichtige Vorteile, wie in 2015 im Compendium of Hydrogen Energy report dargelegt wurde. Im Vergleich zu anderen Arten von Elektrolyseuren sind PEM-Elektrolyseure:
- Kompakt
- Flexibel
- Einfach zu handhaben
- Tolerant gegenüber schwankenden elektrischen Lasten
- Fähig, unter hohem Druck zu arbeiten
Trotz ihrer vielversprechenden Eigenschaften haben sich PEM-Elektrolyseure noch nicht durchgesetzt, was vor allem auf ihre hohen Anschaffungskosten zurückzuführen ist. Ihre katalytische Wirkung erfordert Iridium auf der Anodenseite des Geräts und Platin auf der Kathodenseite. Zwar sind die benötigten Mengen im Vergleich zu den in Batterien verwendeten Metallen sehr gering, doch gehören Iridium und Platin zu den seltensten Metallen der Erde. Aufgrund ihrer hohen Kosten ist die PEM-Elektrolyse noch nicht wirtschaftlich. Insbesondere Iridium ist sowohl teuer als auch einer Alterung während des Betriebes unterlegen. Daher ist die Verbesserung der Haltbarkeit und der Umwandlungseffizienz der anodenseitigen Iridiumschicht ein wichtiger Schwerpunkt der PEM-Elektrolyseur-Forschung.
Simulation von Zweiphasenströmungen zur Maximierung des Umwandlungswirkungsgrads
Das Fuel Cell & Electrolyzer Module enthält Funktionen für die Modellierung eines PEM-Elektrolyseurs. Diese Art von Modell ermöglicht es uns, die Zweiphasen-Fluiddynamik auf der Anodenseite des Geräts zu simulieren, was uns helfen kann, seine Iridium-aktivierte elektrolytische Wirkung zu untersuchen. Wir werden das Modell und einige seiner relevanten Ergebnisse hier besprechen, aber wenn Sie direkt in das Schritt-für-Schritt-Tutorial-Modell einsteigen möchten, finden Sie es hier: Polymer-Elektrolyt-Membran-Elektrolyseur.
Modellgeometrie für den PEM-Elektrolyseur.
Die Simulationsergebnisse zeigen, dass am Ende der Elektrodenströmungskanäle in der Nähe der Mitte der Vorrichtung der Gasvolumenanteil nahezu 100 % beträgt. Gleichzeitig ist im Kanal ganz rechts viel weniger Gas umgesetzt worden. Jegliches flüssige Wasser, das die Vorrichtung verlässt, sollte oxidiert worden sein, um Protonen freizusetzen, die für die Reduktion auf der Kathodenseite des Elektrolyseurs zur Verfügung stehen. Umgekehrt hat das Iridium in der großen “roten Zone” nur eine sehr geringe Wirkung, da es in diesen Kanälen fast kein flüssiges Wasser mehr zu oxidieren gibt. Dies deutet auf die Möglichkeit hin, die Geometrie des Elektrolyseurs neu zu gestalten, um eine effizientere Nutzung des katalytischen Materials zu erreichen.
Verteilung von flüssigem Wasser (blau) und entstehendem Sauerstoffgas (rot) während des Betriebs eines PEM-Elektrolyseurs.
Durch das Aufzeigen von Verbesserungsmöglichkeiten beim Design von PEM-Elektrolyseuren kann die Simulation den Konstrukteuren helfen, Elektrolyseure effizienter zu machen — und die wasserstoffbasierte Energieverteilung rentabler zu gestalten..
Nächste Schritte
Versuchen Sie, die Zweiphasenströmung in einem Polymerelektrolytmembran-Elektrolyseur zu simulieren, indem Sie auf die Schaltfläche unten klicken:
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