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Der Lehrstuhl für Anlagen- und Prozesstechnik beschäftigt sich simulativ mit der Herstellung von Wasserstoff durch unterschiedliche Wasserelektrolysetechnologien sowie durch Dampfreformierung von Biogas. Dieser Wasserstoff soll als Ausgangsstoff für die Synthese unterschiedlicher Wasserstoffderivate dienen. Den Strom-basierten Wasserstofferzeugungsprozessen und integrierten Prozessketten werden konventionelle Herstellungsverfahren basierend auf fossilen Rohstoffen wie Erdgas zur Bewertung gegenübergestellt.

Neben der Erzeugung von grünem Wasserstoff innerhalb Deutschlands und der damit einhergehenden nötigen Hochskalierung von Elektrolysetechnologien, ist der Import von Wasserstoff und dessen Derivaten nötig, um den heutigen und zukünftig steigenden Wasserstoffbedarf zu decken. Vor diesem Hintergrund wird am Lehrstuhl an der Rückgewinnung des Wasserstoffs aus Ammoniak am Zielort durch das sogenannte Ammoniak Cracking geforscht.

Website: Forschung am APT
Kontakt: Sebastian Rehfeldt

Die Produktion des grünen Wasserstoffs erfolgt in diesem Projekt mittels Dampfreformierung von Biogas. Hierzu startete das Schwesterprojekt „BioH2Ref“ im Januar 2022 mit dem Ziel der Entwicklung einer Pilotanlage zur Herstellung von Wasserstoff aus Biogas. Dazu wird die entwickelte Anlage mit einer Kapazität von 100 kg Wasserstoff pro Tag am Biogashof Schleupen in Krefeld installiert und testweise betrieben.

Im Rahmen des Projekts „BioH2Log“ werden die Messdaten des Projekts „BioH2Ref“ zur Entwicklung für einen digitalen Zwillings der Wasserstoffproduktionsanlage synergetisch genutzt. Außerdem werden im Rahmen einer Messkampagne Daten zu dem Speicher- und Tanksystem des produzierten Wasserstoffes aufgenommen, welche wiederum als Grundlage für die Modellerstellung des Wasserstoffspeichersystems dienen. Des Weiteren wird ein digitaler Zwilling für eine innovative Verteillogistik des grünen Wasserstoffs entwickelt. Im Fokus steht hierbei ein Modell aus vielen dezentralen Produktionsstätten von biogenem Wasserstoff mit vielen regionalen Abnehmern, wie beispielsweise Fahrzeuge des ÖPNV.

Ammoniak Cracking: Ammoniak als Wasserstoffträger für den interkontinentalen Transport

Auf dem Weg zur Dekarbonisierung der deutschen Wirtschaft ist die Verfügbarkeit großer Mengen „grünen“ Wasserstoffs von entscheidender Bedeutung. Da die nationale Produktion an grünem Wasserstoff in Deutschland jedoch für die nationalen Dekarbonisierungsziele nicht ausreicht, setzt die Bundesregierung auf umfangreiche Importe aus Regionen mit günstigen erneuerbaren Energien. Für einen energieeffizienten Wasserstofftransport ist die Umwandlung von Wasserstoff in Ammoniak, das eine hohe Wasserstoffdichte aufweist, sinnvoll. Die Rückgewinnung des Wasserstoffs aus Ammoniak erfolgt am Zielort über das sogenannte Ammoniak Cracking. Zum aktuellen Stand der Technik wird die Ammoniakspaltung industriell bisher nur für kleine Nischenanwendungen mit nur geringen Wasserstoffströmen (typische Größe: 1-2 t pro Tag) angewendet. Vor dem Hintergrund der nationalen Klimaschutzziele, der angestrebten Reduktion der CO2- Emissionen und der angespannten Versorgungslage mit Energierohstoffen, strebt das Forschungsprojekt HyPAC eine Transformation der deutschen Wirtschaft auf Wasserstoff-Basis an. Im Rahmen von HyPAC soll ein neues Verfahren zur Wasserstofferzeugung aus Ammoniak, entwickelt und erstmalig in einer Miniplant demonstriert werden. Das Vorhaben strebt einen industriellen, leicht skalierbaren und energieeffizienten Ammoniak Cracking Prozess an. Dieser soll in großen Maßstab Wasserstoff (ca. 500 t pro Tag) in hoher Reinheit und zu attraktiven Preispfaden zentral erzeugen und für große industrielle Abnehmer, wie der chemischen Industrie, Wasserstoff-Pipeline-Netze oder Gasturbinen, bereitstellen.

Der Lehrstuhl für Anlagen- und Prozesstechnik befasst sich im Rahmen des Projektes mit der experimentellen Untersuchung der Katalysatoren und idealen Prozessbedingungen. Zudem werden Reaktor- und Prozessmodelle erstellt, um eine techno-ökonomische Untersuchung zu ermöglichen. Hierfür wird ebenso der Gesamtprozess unter Berücksichtigung der Energieintegration simuliert. Basierend auf diesen Grundlagen wird eine Lebenszyklusanalyse (LCA) angefertigt.

Projektrahmen: Verbundvorhaben: HyPAC – Ammoniak als Wasserstoffträger für den interkontinentalen Transport
Förderung: Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK)
Förderkennzeichen: 03EI3088B
Laufzeit: 01.07.2023 - 31.06.2026
Website: HyPAC
Kontakt: Bruno Villela Pedras Lago, Sebastian Wodak

Am LES wird die Bereitstellung kohlenstoffhaltiger Synthesegase für die Produktion synthetischer Kraftstoffe simulativ und experimentell im Rahmen von diversen Forschungsvorhaben untersucht.

Dazu stehen eine Reihe von Versuchsanlagen zur Vergasung von Abfällen und biogenen Festbrennstoffen zur Verfügung. Dabei wird das gesamte Spektrum von Vergasungskinetiken bis zur Demonstration der gesamten Prozesskette: Biomasse -> Synthesegas -> Konversion abgedeckt.

Website: Forschung am LES
Kontakt: Sebastian Fendt

Im Bereich Power-to-X wird am Lehrstuhl für Technische Elektrochemie an Elektrolyselösungen für Wasserelektrolyseure mit Protonenaustauschmembran (PEM) geforscht. Mit elektrischer Energie aus erneuerbaren Quellen lässt sich mittels PEM-Wasserelektrolyse regenerativer (grüner) Wasserstoff erzeugen. Die Forschung am Lehrstuhl für Technische Elektrochemie konzentriert sich dabei auf das Design von Membranelektrodenanordnungen (MEAs) und porösen Transportschichten (PTLs), welche zentrale Komponenten in PEM-Wasserelektrolyseuren darstellen. Die Themen umfassen neben grundlegenden Aspekten (z.B Verständnis von Reaktionsmechanismen neuartiger Katalysatormaterialien) auch angewandte Forschung (z. B. Verringerung der Katalysatorbeladung in MEAs, Bewertung der MEA-Lebensdauer).

Website: Elektrolyse-Forschung am TEC
Kontakt: Matthias Kornherr

Pushing PEM Fuel Cells to Their Full Potential - Materials Development and Porous Layer Design Guided by Advanced Diagnostic
Das Sinergia-Projekt zielt auf ein tiefgehendes Verständnis von Massentransport-Limitierungen der PEMFC-Kathode ab. Die kathodische Reaktion erfordert Protonentransport über ein protonenleitfähiges Ionomer, sowie Sauerstofftransport durch die Gasphase mittels Gasdiffusions- und mikroporösen Schichten. Zur Verbesserung des Massentransports in diesen Komponenten erforschen wir kohlebasierte Trägermaterialien und deren Wechselwirkungen mit dem Ionomer und charakterisieren Strukturparameter der mikroporösen Schicht mit elektrochemischen und spektroskopischen Methoden.

Förderung: Swiss National Foundation (SNF)
Laufzeit: 11/2018-10/2022
Kontakt: Anne Berger

Entwicklung von porenoptimierten Katalysatoren und Katalysatorschichten für Hochleistungs-Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellen
Brennstoffzellenuntersuchung von porenoptimierten Katalysatorschichten

Um die erforderliche Energiewende in Deutschland zu erreichen, sind die, im Rahmen der Ausschreibung des 7.Energieforschungsprogramms „Innovationen für die Energiewende“ gesetzten Schwerpunkte im Bereich der innovativen Energietechnologie einzuhalten. Insbesondere im Bereich der Brennstoffzellenforschung soll eine höhere Effizienz von Polymer-Elektrolyt-Membran Brennstoffzellen (PEMFC) erreicht werden, bei gleichzeitig reduziertem Einsatz des aktiven Katalysatormaterials und somit minimierten Kosten. Derartige Anforderungen sollen im Rahmen dieses Verbundprojektes durch Untersuchung und Verwendung von porenoptimierten Katalysatoren für zukünftige Hochleistungs-PEMFCs erreicht werden. Die erforderliche Langzeitstabilität soll durch geeignete Studien am TEC-Lehrstuhl umfangreich untersucht werden. Die Ergebnisse des Projektes insgesamt sollen dazu beitragen Wasserstofftechnologien wie Brennstoffzellen zum Durchbruch zu verhelfen, und die deutsche Expertise zur Herstellung von Kernkomponenten für die PEMFC weiter zu stärken.

Förderung: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi)
Laufzeit: 10/2020-10/2023
Kontakt: Roberta Della Bella

Next Generation AutomotIve membrane electrode Assemblies
Das Ziel von GAIA ist die Entwicklung von Membran-Elektroden-Einheiten (MEAs) für Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC) mit einer verbesserten Leistungsdichte bei hohen Stromdichten und einer gesteigerten Langlebigkeit. Unter Einhaltung der definierten Kostenreduktion der PEMFCs werden die entwickelten MEAs ebenfalls unter erhöhten Betriebstemperaturen getestet.

Förderung: Hydrogen Europe and Hydrogen Europe Research
Laufzeit: 01/2019-12/2021
Website: https://www.gaia-fuelcell.eu/
Kontakt: Konstantin Weber

Der Lehrstuhl für Experimentelle Halbleiterphysik an der TUM erforscht neuartige halbleitende Materialien und funktionale Grenzflächen mit besonderem Fokus auf Dünnfilmen und deren Heterostrukturen zur Umwandlung von Sonnenlicht in chemische Energieträger, insbesondere durch solare Wasserspaltung. Ziel ist es, optische Anregungen, Ladungstransportmechanismen und Grenzflächendynamiken besser zu verstehen und gezielt zu steuern.

Dazu kombinieren wir modernste Abscheideverfahren wie reaktives Sputtern, Atomlagenabscheidung und Molekularstrahlepitaxie mit einem breiten Spektrum an (in-situ) Charakterisierungsmethoden, die strukturelle, elementare und optoelektronische Eigenschaften erfassen. Dieser integrierte Ansatz ermöglicht die Untersuchung komplexer Prozesse der Licht-zu-Ladung- und Ladung-zu-Chemie-Umwandlung, die den funktionalen Eigenschaften von Solar-zu-Wasserstoff-Systemen zugrunde liegen, und erlaubt es uns, diese Prozesse gezielt zu beeinflussen.

Website: Forschung am WSI 
Kontakt: Dr. Verena Streibel