Sustainability

Zielsetzung

Das Teilprojekt "Elektrische Energiegewinnung aus Wasserstoff" befasst sich mit der Wasserstofferzeugung und -speicherung und geht dabei der Fragestellung nach, ob durch Systemoptimierungen Schwankungen bei der Erzeugung elektrischer Energie aus erneuerbaren Quellen ausgeglichen werden können und welche Infrastrukturen benötigt werden, um nachhaltig elektrisch Energie zu gewinnen. Gerade bei der Erzeugung von Strom durch regenerative Energieträger wird Energie nicht immer dann benötigt, wenn sie erzeugt wird. Bisher wird der erzeugte Strom häufig ins Netz eingespeist, wenn er produziert wird und nicht dann, wenn er tatsächlich gebraucht wird. Hierbei ist zwischen der kurzfristigen und langfirstigen Perspektive zu unterscheiden. Kurzzeitige Schwankungen im Bereich von Minuten oder Stunden, die zu Problemen in der Netzstabilität führen, lassen sich durch elektrische Batteriespeicher ausgleichen. Für langfristige Differenzen zwischen Energiebedarf und Energieerzeugung, z.B. für den Ausgleich zwischen Solarenergieüberschuss im Sommer und Bedarf an Heizwärme im Winter, sind  Batteriespeicher zu teuer. Hier bietet sich Wasserstoff als Speichermedium an. Das Ziel dieses Projekts ist, neue Lösungen für die Speicherung  elektrischer Energie aus erneuerbaren Quellen in Form von Wasserstoff zu erarbeiten und an einer Demonstrationsanlage zu erproben.

Methodik/Vorgehen

An der Technischen Hochschule Bingen wurde eine Demonstrationsanlage bestehend aus zwei Wasserstoffgeneratoren, einem Wasserstoffspeicher und einem Brennstoffzellenstapel gebaut. Für die Wasserstofferzeugung kommen eine PEM-Elektrolyseeinheit und eine Alkali-Elektrolyseeinheit zum Einsatz, die 600 Nml/min bzw. 500 Nml/min Wasserstoff erzeugen können. Die Wasserstoffspeicherung erfolgt mit Hilfe eines Metallhydrid-Speichers mit einer Kapazität von 90 Nl. Der Brennstoffzellenstapel besteht aus 12 PEM-Brennstoffzellen und besitzt eine Maximalleistung von  60 W. Mit dieser Anlage soll der bisher noch wenig erprobte stationäre Betrieb von kombinierten Elektrolyse-/Brennstoffzelleneinheiten weiter erforscht und dynamische Prozessführungskonzepte weiterentwickelt werden. Dazu werden für die wesentlichen Systemkomponenten mathematische Modelle entwickelt und validiert.

Transferbereiche

•    Einführung in die Brennstoffzellen- und Wasserstofftechnik für Jugendliche im Rahmen von Schülerpraktika und Girls' Days.

•    Präsentation des Projekts gegenüber einer breiteren Öffentlichkeit bei der Binger Energie-Radtour, der Nacht der Wissenschaft und ähnlichen Veranstaltungen

•    Kooperation mit der Firma APL Landau auf dem Gebiet der Brennstoffzellen- und Batterietechnik

•    Vorstellung des Projekts in der Zeitschrift “initiativ – Das Wirtschaftsmagazin”, Ausgabe 02/24

•    Publikation der Projektergebnisse in begutachteten Fachjournalen.

Erkenntnisse

•    A. Allam, M. Mangold, P. Zhang (2024). Square Root Unscented Kalman Filter-Based Multiple-Model Fault Diagnosis of PEM Fuel Cells. Sensors 25 (1), 29.
Doi: http://dx.doi.org/10.3390/s25010029

•    A. Allam, M. Mangold, P. Zhang (2024). Fault Diagnosis of PEM Fuel Cells: An Assessment of two Bayes’ Filters. IFAC-PapersOnLine 58 (4), 473 - 478.
Doi:  http://dx.doi.org/10.1016/j.ifacol.2024.07.263

•    M. Mangold, A. Allam, S. Lenz (2026). Use of the Ensemble Kalman Filter for the identification of hybrid fuel cell models. Computers & Chemical Engineering 213, 109719.
Doi: http://dx.doi.org/10.1016/j.compchemeng.2026.109719

•    A. Allam, S. Veitenhansl, B. Seyfang, P. Zhang, M. Mangold (2026). A control-oriented model of hydrogen-based hybrid energy systems. Journal of Power Sources 694, 241297.
Doi: http://dx.doi.org/10.1016/j.jpowsour.2026.241297