Effizienz und Lebensdauer von Elektroden-Packages durch Beschichtung steigern

ZSW, Etogas und Holzapfel Group entwickeln gemeinsam Fertigungskonzept zur Wasserstoff-Erzeugung durch Elektrolyse

Die Erzeugung und Nutzung regenerativer Energie, z. B. von Wasserstoff (H2) als Energieträger, ist heute branchenunabhängig ein entscheidendes und wiederkehrendes Thema. So auch in der Beschichtungstechnik. Hier geht es insbesondere darum, Bauteile für regenerative Energieanlagen durch Oberflächentechnik mit zusätzlichen oder verbesserten Eigenschaften zu versehen. Bspw. mit Korrosionsschutzschichten, die Bauteile haltbarer machen und somit die Lebensdauer erhöhen oder die Effizienz der Erzeugungssysteme steigern.

Das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW), die ETOGAS GmbH als Entwickler und Hersteller schlüsselfertiger Power-to-Gas- und Power-to-Hydrogen-Anlagen und das Beschichtungsunternehmen Holzapfel Group arbeiten seit 2012 in einem gemeinsamen Projekt daran, eine Wasserstoff-Erzeugungsanlage in der 300kW-Klasse zu optimieren, die später auch Upscales in den Megawatt-Bereich ermöglicht.

Beschichtung steigert Effizienz und Lebensdauer
In Bezug auf die Beschichtung stehen die Steigerung des elektrischen Wirkungsgrades und das Erhöhen der Langzeitstabilität sowie des Korrosionsschutzes im Fokus. Für diese Teilaufgaben des Projektes wurde die Holzapfel Group als Beschichtungsspezialist  ins Boot geholt. Im Rahmen des Projektes hat die Unternehmensgruppe sich mit den Beschichtungen befasst, die „im Innenleben“ der Wasserstoff-Erzeugungsanlage eine tragende Rolle spielen: Bei der alkalischen Wasserelektrolyse (AEL) sind Elektroden Packages im Einsatz, die Wasserstoff und Sauerstoff erzeugen. Diese Elektroden Packages bestehen aus einer Anode, einer Kathode und einem Mittelblech, die stoffschlüssig miteinander verbunden sind. Innerhalb der Konstruktion ist ein Elektrolyt (Kali-Lauge-Wasser-Gemisch), dessen Wasseranteil durch das Einleiten von Strom aufgespalten wird. An der Kathode bildet sich Wasserstoff, an der Anode Sauerstoff. Das Mittelblech sorgt für eine Abtrennung der Gas-Zwischenräume. Die Bauteile Anode, Kathode und Mittelblech werden von der Holzapfel Group mit einem speziellen Verfahren auf Nickelbasis beschichtet. Um den Wirkungsgrad zu verbessern und der Degradation entgegen zu wirken, wird die Kathode mit einer zusätzlichen Beschichtung versehen. Im Gesamtsystem werden durch diese Kombination die katalytischen Eigenschaften und die Wirkungsgrade optimiert.

Industrielle Fertigung der Elektroden Packages ermöglichen
„Bei der Entwicklung der Elektrodenbeschichtungen und der stoffschlüssigen Verbindungen innerhalb der Elektroden-Packages haben wir nicht nur den Korrosionsschutz und die Steigerung der elektrischen Effizienz im Blick gehabt“, erläutert Michael Kolb, Leiter des Innovationsteams der Holzapfel Group und mit dem Projekt betraut. „Es ging auch darum, Fertigungskonzepte zu entwickeln, die eine kostengünstige Herstellung von Elektroden-Packages unter industriellen Bedingungen, also auch in der Serie, ermöglichen. Mit den bisherigen Prozessschritten sind wir auf dem besten Weg, marktfähige Elektroden-Packages zu entwickeln.“ Zudem wurde die Entwicklung so gestaltet, dass die Elektroden-Packages spezifisch auf die Anforderungen der Kunden und ihrer Anlagen eingestellt werden können. So können bspw. die Abstände zwischen Anode, Kathode und Mittelblech variabel auf die Kundenanforderungen in Bezug auf die Gas-Zwischenräume eingestellt werden. Auch kann der Abstand zwischen Anode, Kathode und dem Diaphragma auf die jeweiligen technischen Gegebenheiten angepasst werden. Das Ziel des Projektes ist u.a. die marktreife Entwicklung von Kernkomponenten und Subsystemen zur Herstellung von Wasserstoff-Erzeugungsanlagen.

In Zusammenarbeit mit den Projektpartnern wurde vorab im kleineren Maßstab die Elektrolyse mit unterschiedlichen Größen und Beschichtungen getestet. Derzeit wird ein kompletter Elektrolyseur mit dem heutigen Stand der Elektroden-Packages montiert und im Gesamtkonzept des P2G-Projektes erprobt.

Wasserstoff vielseitig nutzbar
Die Elektroden Packages dienen der  Wasserstoff-Erzeugung. Der so gewonnene Wasserstoff kann vielseitig direkt genutzt werden, zum Beispiel für die Medizintechnik. In diesem Projekt wird der Wasserstoff in Form von Gas gespeichert und später genutzt. Er soll bspw. ins Erdgasnetz eingespeist werden (Power-to-Gas-Anlagen; Methan-Herstellung), verbunden mit der Umwandlung in Strom oder Wärme mittels Gasturbinen, Verbrennungsmotoren oder Brennstoffzellen zu einem späteren Zeitpunkt (Langzeitspeicherung). Auch in vielen weiteren Bereichen kann der erzeugte Wasserstoff eingesetzt werden: In der Mobilität (als Kraftstoff für Brennstoffzellen-Fahrzeuge) oder auch in der Lebensmittelindustrie zur Herstellung von Fetten.
Die regenerative Erzeugung von Wasserstoff (H2) gewinnt weltweit an Bedeutung. H2 steht für eine nachhaltige, ressourcenschonende Energieversorgung, die überwiegend und künftig sicher auch vollständig auf regenerativen Energien beruht.