Digitale Prototypen verbessern BZ und Elektrolyseure

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Von Hydrogeit

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1. Dezember 2021

Digitale Prototypen verbessern BZ und Elektrolyseure

Testsystem PVcomB, © HZB
© HZB

Die Entwicklung eines echten Prototyps ist zeitaufwendig und teuer. Mathematische Modelle ermöglichen es, die physikalischen und chemischen VorgĂ€nge in einer Brennstoffzelle oder einem Elektrolyseur besser zu verstehen. Eine Simulation hilft, neue AnsĂ€tze und Designs im Lobar zu kreieren. 

Das Kompetenzzentrum Photovoltaik Berlin, kurz PVcomB, des Helmholtz-Zentrums untersucht integrierte Photovoltaik-Elektrolyseure fĂŒr die direkte Umwandlung von Solarenergie in Wasserstoff. Mithilfe einer Software konnten die Wissenschaftler den Betrieb des Elektrolyseurs und auch die WĂ€rmeĂŒbertragung im GerĂ€t untersuchen. Also konkret von der PV zum WĂ€rmetauscher, wo der Elektrolyt erhitzt wird, bevor er in den Elektrolyseur gelangt. „Mit der Software können Details des Betriebs verstanden werden, die mit experimentellen Methoden nicht beurteilt werden können“, erklĂ€rt Erno Kemppainen. Der Wissenschaftler leitet die Gruppe PV to Fuels Technology am PVcomB. Dabei gehe es darum, Beobachtungen zu erklĂ€ren und auch Vorhersagen zu entwickeln. „Besonders detaillierte Modelle sind auch einfacher aufzubauen und zu modifizieren, als wenn Ă€hnliche Modelle von Grund auf programmiert werden mĂŒssen. Fast wie Legosteine können die fertigen Elemente zusammengesetzt werden“, beschreibt Kemppainen. 

Aus Sicht der Modellierung ist das VerstĂ€ndnis der Auswirkungen von Elektrolytfluss, Ladungstransport, elektrochemischen Reaktionen und WĂ€rmetransport aufeinander wesentlich, um den Elektrolyseurbetrieb zu verstehen. Diese vier Hauptfaktoren gilt es auch mit ihren RĂŒckkopplungen zu berĂŒcksichtigen. Doch das ist anspruchsvoll: Im Allgemeinen seien die wichtigsten Faktoren die KatalysatoraktivitĂ€t und -stabilitĂ€t sowie die Korrosion jeder Zellkomponente, aber bei einer direkten Kopplung mit PV sei auch der variable Betrieb des Elektrolyseurs ein mögliches Problem, erklĂ€rt Kemppainen. „In Bezug auf die KatalysatoraktivitĂ€t und die Kinetik der Elektrolyse-Halbreaktionen ist die Sauerstoffgas-Entwicklungsreaktion an der Anode des Elektrolyseurs deutlich langsamer und schwieriger als die H2-Entwicklungsreaktion an der Kathode und damit einer der HauptengpĂ€sse des Elektrolyseurbetriebs“, verdeutlicht der Wissenschaftler. 

PhÀnomene gekoppelt analysieren 

FĂŒr die meisten Situationen seien ausreichend genaue Modelle verfĂŒgbar, sowohl fĂŒr die isolierten PhĂ€nomene als auch gekoppelt mit anderen PhĂ€nomenen. Eine genaue Modulierung ist aber sehr komplex: Da Elektrolyseure flĂŒssiges Wasser in H2 und Sauerstoffgas umwandeln, mĂŒsste ein genaues, vollstĂ€ndig gekoppeltes Berechnungsmodell letztlich alle Gasblasen im flĂŒssigen Elektrolyten berĂŒcksichtigen. Die Blasen werden aber direkt oder indirekt von allen vier zuvor genannten Hauptfaktoren beeinflusst. Die Menge der Blasen im Elektrolyseur hĂ€ngt wiederum vom Strom ab, der durch den Elektrolyseur fließt, und vom Elektrolytfluss selbst. Deshalb könne eine genaue Modellierung der Gasblasen nicht wirklich die Wechselwirkung mit einem der Hauptfaktoren vernachlĂ€ssigen, erlĂ€utert Kemppainen. Das wiederum mache die Blasen zu dem vielleicht schwierigsten zu simulierenden Detail des Elektrolyseurbetriebs, beschreibt er. Zudem wirke sich auch die Betriebstemperatur auf alles aus: Die Elektrolysereaktion und die Widerstandsverluste erwĂ€rmen auch den Elektrolyseur, und die Blasen beeinflussen die Reaktionsgeschwindigkeit und die WĂ€rmeleitfĂ€higkeit des Elektrolyten. 


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Autor: Niels Hendrik Petersen

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