Ressourcen
Stoff- und Energieströme für Power-to-Systeme und die Wasserstoffherstellung: Strom, Wärme und Edukte (Wasser, Kohlenstoff- bzw. CO2-Quelle z.B. aus Biomasse, Abfall, Zementindustrie etc.)
Untersuchung von CO2 Abtrennungsprozessen, Elektrolyse zur Wasserstoffherstellung und der Bereitstellung kohlenstoffhaltiger Synthesegase aus z.B. Biomasse.
Lehrstuhl für Anlagen- und Prozesstechnik (APT)
Erzeugung wasserstoffhaltiger Synthesegase mittels CO2-Filterung aus der Luft, Wasser und erneuerbarem Strom mit Hochtemperatur-co-Elektrolyse
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
Biogene Wasserstoffproduktion mit innovativer Verteillogistik
Das im Januar 2023 gestartete Verbundvorhaben „BioH2Log – Biogene Wasserstoffproduktion mit innovativer Verteillogistik“ unterstützt die Entwicklung von dynamischen Modellen, sog. digitalen Zwillingen, für die Produktion, Speicherung und die Verteillogistik von grünem Wasserstoff. Teilnehmende Partner sind von Industrieseite die Unternehmen Takeoff Engineering sowie Arcanum Energy und von der Technischen Universität München der Lehrstuhl für Fördertechnik, Materialfluss, Logistik sowie der Lehrstuhl für Anlagen- und Prozesstechnik.
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.
Projektrahmen: Verbundvorhaben: BioH2Log - Biogene Wasserstoffproduktion mit innovativer Verteillogistik
Förderung: Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK)
Förderkennzeichen: 03EI5452B
Laufzeit: 01.01.2023 - 31.12.2025
Website: BioH2Log
Kontakt: Edwin Hirtreiter
Weiterführende Informationen: Energetische Biomassenutzung: Details, BioH2Log - Lehrstuhl für Fördertechnik Materialfluss Logistik , BIOH2LOG(youtube.com)
Serienproduktion und Industrialisierung von integrierten & sektorgekoppelten Elektrolysesystemen für Wasser
Der Markthochlauf von Wasserstoff, seinen Derivaten und Wasserstoffanwendungstechnologien soll laut der Fortschreibung der Nationalen Wasserstoffstrategie weiter beschleunigt werden. Damit einher geht das ambitionierte Ziel der Installation von mindestens 10 Gigawatt Elektrolysekapazität bis 2030 in Deutschland zur Erzeugung von grünem Wasserstoff. Die dafür notwendige Hochskalierung der Elektrolysetechnologie stellt eine große Herausforderung dar, welcher sich die Partner im Leitprojekt H2Giga annehmen. Durch die Massenproduktion von Elektrolysestacks und das Erreichen höherer Anlagenkapazitäten von Elektrolyseanlagen erhofft man sich Investitionskosten verringern zu können, die sich vor allem bei reduzierten Betriebsstunden im dynamischen Betrieb stark auf die Wasserstoffgestehungskosten auswirken und die Wirtschaftlichkeit gegenüber konventionellen Prozessen senken. Durch die geringeren Investitionskosten sollen zudem neue Märkte erschlossen werden und der Wasserstoff in weiteren Sektoren Einzug finden.
Der Lehrstuhl für Anlagen- und Prozesstechnik untersucht die stoffliche und thermische Prozessintegration von mit Elektrolyseprozessen erzeugtem grünen Wasserstoff in chemische Produktionsprozesse wie Ammoniak und Methanol. Hierbei wird die Flexibilisierung von Ammoniakanlagen fokussiert betrachtet, um einen zunehmend dynamischen Betrieb zu ermöglichen. Schließlich sollen Integrationsmöglichkeiten und Designparameter für Elektrolyseure identifiziert werden, um einen Anforderungskatalog für die optimale Integration verschiedener Downstream-Prozesse mit der Wasserelektrolyse zu erarbeiten. Außerdem werden Möglichkeiten der additiven Fertigung in der Peripherie von Elektrolyseanlagen untersucht.
Um die theoretischen Modelle der PEM-Elektrolyse zu verbessern, werden kontinuierlich neue Erkenntnisse aus der Literatur herangezogen. Die Datensätze in der Literatur sind jedoch meist unvollständig oder weichen stark voneinander ab. Um diese Abweichungen zu verstehen und experimentelle Ergebnisse auf Stack- statt Zelleebene zu erhalten, wird im Projekt ein 10 kW PEM-Elektrolyseteststand aufgebaut. Fokus des Teststands ist die Untersuchung des unterwünschten Gasübergangs der Produktgase durch die Membran bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen.
Projektrahmen: Verbundvorhaben H2Giga-SINEWAVE: Serienproduktion und Industrialisierung von integrierten & sektorgekoppelten Elektrolysesystemen für Wasser
Förderung: Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)
Förderkennzeichen: 03HY123F
Laufzeit: 01.06.2021- 31.03.2025
Website: H2Giga - SINEWAVE
Kontakt: Steffen Fahr, Michael Stadler, Johanna Hemauer
Weiterführende Informationen: Wasserstoff Leitprojekt H2Giga
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
Lehrstuhl für Energiesysteme (LES)
Bereitstellung Biomasse-basierter Synthesegase für die Produktion synthetischer Kraftstoffe (simulativ und experimentell)
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
Lehrstuhl für Technische Elektrochemie (TEC)
Elektrolyselösungen zur Herstellung von Wasserstoff aus erneuerbarer Energie
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
Erforschung, Validierung und Implementierung von „Power-to-X“ Konzepten
Zentrale Forschungsthemen im Projektverbund sind: Elektrolyselösungen zur Herstellung von H2 aus erneuerbarer Energie sowie weiterführender Prozessrouten.
Eine Reduzierung kritischer Platingruppenmaterialien sowie eine verbesserte Effizienz von PEM-Wasserelektrolyseuren sind die Hauptziele des Forschungsprojekts.
Projektrahmen: Kopernikus-Strategie des BMBF
Förderung: Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)
Laufzeit: 09/2019-08/2022
Website: https://www.kopernikus-projekte.de/
Weiterführende Informationen: TUM Kooperationsprojekt
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