Projekt MefHySto – Metrologie für fortschrittliche Wasserstoffspeicherlösungen

05.10.2022

• Gegenstand
• Ziel
• Methodik
• Partner + Förderer

Wasserstoff erfüllt die wichtigsten Anforderungen an eine saubere und nachhaltige Energiequelle. Er ist universell verfügbar (Wasser), hat von allen chemischen Brennstoffen die höchste Energiedichte auf Massenbasis und kann leicht zwischen verschiedenen Energieformen variiert werden. Fortschrittliche Speicherlösungen für Wasserstoff sind eine Voraussetzung, um das ehrgeizige neue EU-Energiezielvon 40 % aus erneuerbaren Energien bis 2030 und das Ziel der neuen europäischen Richtlinie 2018/2001 für erneuerbare Energien zu erreichen.

Das Projekt MefHySto setzt bei den Schlüsseltechnologien für die fortschrittliche Wasserstoffspeicherung an. Hier sind die Qualität des erzeugten Wasserstoffs zu bewerten und die für die Modellierung der Wasserstoffeinspeisung verwendeten Referenzzustandsgleichungen zu verbessern. Das Projekt untersucht die Nachhaltigkeit und Zuverlässigkeit von Brennstoffzellen. Es entwickelt harmonisierte Methoden für die reversible Wasserstoffspeicherung mittels Metallhydrid- und Kryoadsorptions-Speichertechniken. Das Projekt befasst sich mit messtechnischen und thermodynamischen Fragen bei der großtechnischen Speicherung von Wasserstoff in unterirdischen Gasspeichern (UGS) und der Umstellung bestehender UGS von Erdgas auf Wasserstoff.

Cavity-Ring-Down-Spektroskopie (CRDS); Dynamik der Online-Spurenfeuchte: SAW, Metalloxid- Taupunktsonde, Faseroptik, Hochdruck-Taupunktspiegel, elektrolytisch; Referenz-Feuchtigkeitsgenerator und Referenz-Hygrometer; sphärischer Mikrowellenresonator; Herstellung und Untersuchung von hochpräzisen Referenzgasgemischen; Apparaturen zur Messung der volumetrischen und gravimetrischen Speicherkapazität und für die Thermodynamik von Ad-/Absorption und Desorption; Messverfahren für Wasserstoffqualität und -fluss; Technische Messverfahren für Durchfluss, Feuchtigkeit oder Gasqualität von Wasserstoff.

Projektkoordination

Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM)

Konsortium

14 internationale Partner aus der Wissenschaft und Industrie

Förderung

Das Projekt wird vom Europäischen Metrologieprogramm für Innovation und Forschung EMPIR gefördert (Förderer-ID: 10.13039/100014132, Finanzhilfenummer: 19ENG03 MefHySto).

MefHySto – Metrologie für fortschrittliche Wasserstoffspeicherlösungen

Die Energieproduktion aus erneuerbaren Energiequellen schwankt erheblich, und die großtechnische Speicherung von Wasserstoff ist eine vielversprechende Lösung, um Unterbrechungen der Energieversorgung zu vermeiden. Abhängig von der Menge, der Verfügbarkeit für die Umwandlung in Energie und der erforderlichen Reinheit werden derzeit drei verschiedene Arten der Speicherung von Wasserstoff verwendet: 1. die mittelgroße, sichere, reversible Speicherung in Feststoffen durch Hydride oder Kryo-Adsorption in porösen Medien, 2. die Einspeisung in das Erdgasnetz und 3. die unterirdische Speicherung in geologischen Hohlräumen. Für diese drei Speichertypen werden zuverlässige Normen, Referenzmethoden und Materialien benötigt.

Auch müssen neue Techniken wie Power-to-Hydrogen, Power-to-Gas oder Gas-to-Power weiter untersucht werden, da der intermittierende Betrieb einer Wasserelektrolysezelle zur Umwandlung von elektrischem Strom in Wasserstoff zu häufigen Start-Stopp-Phasen mit inhärenten, instabilen, vordefinierten Leerlaufbedingungen führt. Verunreinigungen können in Brennstoffzellen bei der Umwandlung von Wasserstoff in elektrischen Strom zu erheblichen Leistungseinbußen führen. Daher ist eine detaillierte und systematische Untersuchung der Auswirkungen von Verbindungen/Verunreinigungen auf die Leistung von Brennstoffzellen unter zyklischer Belastung erforderlich, um ihre Lebensdauer zu verbessern.

Die Voraussetzungen für eine erfolgreiche Energiewende und die wirtschaftliche Nutzung von Wasserstoff als sauberem, grünem Energieträger sind H2-Readiness und eine schnelle Markteinführung sowie der Aufbau der notwendigen Wertschöpfungsketten im europäischen Rahmen. Bei fast allen Technologien der Wasserstoffwirtschaft ist die Machbarkeit nachgewiesen, einige sind sogar schon sehr weit entwickelt. Eine große Herausforderung ist jedoch die Skalierung dieser Technologien in bisher unvorstellbare technische Größenordnungen, die für alle und in ihrem Zusammenspiel völlig neu sind.

Besonders hervorzuheben sind hier die Produktion von grünem Wasserstoff und seine Speicherung in enorm großem Maßstab. Das Projekt MefHySto hat sich diesen Aufgaben entlang der Wertschöpfungskette der Wasserstoffspeicherung in fünf technischen Arbeitspaketen verschrieben und wird die Arbeitsergebnisse schnellstmöglich veröffentlichen.

Ziele und Arbeitspakete

1. Bewertung der Qualität des durch PEM-Wasserelektrolyse erzeugten Wasserstoffs während schnell auferlegter Übergangszeiten
   
   Im Allgemeinen ist die Elektrolyse derzeit gut verstanden. Es fehlen jedoch noch detaillierte Untersuchungen zu energetischen Prozessen und Lastzuständen. Dies gilt auch für kurzzeitige Energiespitzenlasten von bis zu 200 %, die sicher gehandhabt werden müssen, um Qualitätsprobleme oder Schäden an Brennstoffzellen (BZ) und peripheren Geräten zu vermeiden. Das Projekt untersucht die Qualität des aus der Protonenaustauschmembran-Wasserelektrolyse erzeugten Wasserstoffs während schnell auferlegter transienter Nutzungsperioden. Dies geschieht mit Online-Gasanalysatoren, die zur Messung wichtiger Verunreinigungen wie Wasserdampf und Sauerstoff eingesetzt werden. Im Rahmen dieses Projekts werden neue Messverfahren für die Messung der wichtigsten Verunreinigungen, neue Einrichtungen und Tests der Reaktionszeit der Instrumente bei vorübergehender Last und unter Bedingungen entwickelt, die für verschiedene Speichermodi relevant sind. Der erweiterte Messbereich, die Mischgasmatrix und vor allem die instationären Bedingungen stellen Herausforderungen dar.
   
   

2. Verbesserung der Referenz-Zustandsgleichungen als Grundlage für die genaue Bestimmung der Brennwerte von Energiegasen
   
   Die genaue Kenntnis der thermodynamischen Eigenschaften von Erdgasen und wasserstoffangereicherten Erdgasen ist von unverzichtbarer Bedeutung für die grundsätzliche Auslegung und Umsetzung von technischen Prozessen und deren Engineering. Die Aufbereitung, der Transport per Pipeline oder Schiff, die Speicherung und die Verflüssigung von Erdgas sind Beispiele für technische Anwendungen, bei denen die thermodynamischen Eigenschaften verschiedener Gemische von Erdgaskomponenten so früh wie möglich benötigt werden, um die Auslegung bei der Markteinführung zu optimieren. Zur Bestimmung des kommerziell bedeutsamen Brennwerts und zur Berechnung der thermophysikalischen Eigenschaften ist die Zustandsgleichung (EoS) der European Gas Research Group (GERG)-2008 die anerkannte ISO-Norm (ISO 20765-2). Die Zusammensetzung von Erdgas kann jedoch aufgrund der unterschiedlichen Herkunft erheblich variieren, was die Bestimmung des Brennwerts und der thermophysikalischen Eigenschaften erschwert. Daher muss die GERG-2008 EoS auf den Anwendungsbereich zur Diversifizierung erweitert werden, z. B. durch Zugabe von Wasserstoff. So werden in MefHySto hochpräzise experimentelle Daten zu Druck, Massendichte und Temperatur (p, ρ, T) für gravimetrisch hergestellte synthetische Erdgasgemische bereitgestellt.
   
   

3. Untersuchung der Nachhaltigkeit und Zuverlässigkeit von Brennstoffzellen (BZ) und deren Leistung durch Verunreinigungen im Wasserstoff und in der Luft
   
   

   Die Rückumwandlung von Wasserstoff in elektrische Energie durch eine BZ wird als potenzielle Lösung zur Erzeugung kohlenstofffreier Energie sowohl für stationäre als auch für mobile Anwendungen angesehen. Dieses Projekt wird wertvolle Informationen über die Leistung und Haltbarkeit von BZ unter realistischen Betriebsbedingungen auf Einzelzellen- und Stack-Ebene liefern, um die Auswirkungen von Verunreinigungen in Wasserstoff und Luft (auf der Grundlage bestehender Normen) zu quantifizieren. Ein Schwerpunkt liegt auf neuen Schlüsselhalogenverbindungen sowie auf den Auswirkungen von Verunreinigungskombinationseffekten (nacheinander oder gleichzeitig) auf die Reaktion der BZ unter Verwendung einer Differentialzelle bis hin zu In-situ-Charakterisierungen durch Stromdichtekartierung an Stacks. NOx- und SOx-Verunreinigungen in der Luft werden ebenfalls untersucht, um einzelne und kombinierte Auswirkungen auf den Betrieb von BZ zu bewerten. Solche Kopplungseffekte wurden bisher nur selten untersucht.
   
   

4. Harmonisierte Methoden für die reversible Wasserstoffspeicherung

   
   
   Die Forschung hat in den letzten Jahren viele potenzielle Materialien für die Speicherung von H2 untersucht, wie z. B. Metallhydride für die Absorption oder die kryogene Adsorption bei Temperaturen bis hin zu verflüssigtem Stickstoff, in denen nahezu flüssige H2-Speicherdichten erreicht werden (sogar noch höhere). Verfahren zur reversiblen Feststoffspeicherung, die größere H2-Mengen wieder in reiner Form verfügbar machen, sind enorm wichtige Bausteine in einer kreislauforientierten Wasserstoffwirtschaft, insbesondere für den Einsatz von Brennstoffzellen.

   Die reversible Wasserstoffspeicherung in Metallhydriden und porösen Materialien (Kryospeicherung) erfordert jedoch die genaue Kenntnis der Adsorptionskapazität in Abhängigkeit von Druck und Temperatur, der thermischen Parameter bei der Ab-/Adsorption und der Desorption im dynamischen Betrieb. Dieses Projekt wird die Methoden und Protokolle für eine zuverlässige Charakterisierung von Metallhydriden und porösen Materialien (Kryospeicherung) standardisieren und dies für die wichtigsten Leistungsindikatoren für Metallhydride und poröse Materialien tun, wie die volumetrische und gravimetrische Speicherkapazität und die Thermodynamik von Ad-/Absorption und Desorption. Im Rahmen des Projekts werden auch rückführbare Methoden zur Charakterisierung von Speichermaterialien und Referenzstandards für Kapazitätsmessungen sowie zur Prüfung des Einflusses von Gasverunreinigungen entwickelt.
   
   

5. Lösung messtechnischer und thermodynamischer Fragen bei der großtechnischen Speicherung von Wasserstoff in unterirdischen Gasspeichern (UGS) und bei der Umstellung bestehender UGS von Erdgas auf Wasserstoff
   
   Geologische Reservoirs sind wegen ihrer potenziell hohen Speicherkapazität von enormer Bedeutung. Leider gibt es bisher kaum öffentliche Informationen, da viele Projekte zur Umrüstung bestehender Erdgasspeicher oder zur Errichtung neuer Wasserstoffspeicher privatwirtschaftlich organisiert sind und gerade erst anlaufen. Außerdem ist es wichtig, zwischen zwei Speichertypen zu unterscheiden: Porenspeicher und Kavernen. In Kavernen kann eine Umstellung auf hohe H2-Gehalte schnell erreicht werden, während Porenspeicher über lange Zeiträume umgerüstet werden müssen. Dementsprechend unterschiedlich sind die messtechnischen und analytischen Anforderungen. Eine nennenswerte Anzahl neuer UGS wird derzeit nicht erwartet. Für die Umrüstung von Kavernen auf Wasserstoff werden derzeit öffentliche Mittel (Projektförderung) eingeworben. Darüber hinaus werden derzeit an verschiedenen Speichern Untersuchungen und Bewertungen des Materials durchgeführt, um die Möglichkeiten und Kosten einer Umrüstung zu ermitteln. H2-Beimischungen zu Erdgas, aber auch reine H2-Kavernen werden in Betracht gezogen. Der Engpass scheint die Verfügbarkeit großer Mengen an Wasserstoff zu sein.

Methoden

• Cavity-Ring-Down-Spektroskopie (CRDS) für die Spurenfeuchte
• Dynamik der Online-Spurenfeuchte (Leihhygrometer von Herstellern mit fünf verschiedenen Messprinzipien: SAW, Metalloxid- Taupunktsonde, Faseroptik, Hochdruck-Taupunktspiegel, elektrolytisch)
• Referenz-Feuchtigkeitsgenerator und Referenz-Hygrometer
• Sphärischer Mikrowellenresonator für hochpräzise Messungen der thermophysikalischen Eigenschaften von Wasserstoff
• Herstellung und Untersuchung einer Reihe von hochpräzisen Referenzgasgemischen, um Lücken in der Literatur für Wasserstoff und seine Gemische zu schließen (bekanntes 11-Komponenten-Erdgas und jeweils 0, 10 und 20 % Wasserstoff sowie eine Reihe von drei binären Gemischen (Propan + Wasserstoff) mit einem Propangehalt von 5, 10 und 17 %)
• Apparaturen zur Messung der volumetrische und gravimetrische Speicherkapazität und für die Thermodynamik von Ad-/Absorption und Desorption
• Messverfahren für Wasserstoffqualität und -fluss
• Technische Messverfahren für Durchfluss, Feuchtigkeit oder Gasqualität von Wasserstoff

Projektkoordination

Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM)
Fachbereich Prozessanalytik

Projektpartner

BAM Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung
CMI Cesky Metrologicky Institut, Tschechische Republik
NPL Nationa Physocal Laboratory, Großbritannien
PTB Physikalisch-Technische Bundesanstalt, Deutschland
CEA Commissariat à l’Énergie Atomique et aux Énergies Alternatives, Frankreich
DBI DBI GAS UND UMWELTTECHNIK GMBH, Deutschland
DVGW Deutscher Verein des Gas- und Wasserfaches - Technisch-wissenschaftlicher Verein e.V., Deutschland
ERIG European Research Institute for Gas and Energy Innovation, Belgien
FHA Fundacion para el desarrollo de las nuevas tecnologias del Hidrogeno en Aragon, Spanien
MAHYTEC MAHYTEC SAS, Frankreich
MPG Max Planck Institut für Intelligente Systeme Stuttgart, Deutschland
Reganosa Regasificadora del Noroeste, S.A, Spanien
UDC Universidade da Coruña, Spanien
UVa Universidad de Valladolid, Spanien

Förderung

Gedankt wird besonders dem Europäischen Metrologieprogramm für Innovation und Forschung EMPIR (Förderer-ID: 10.13039/100014132, Finanzhilfenummer: 19ENG03 MefHySto) für die Finanzierung des Projekts.