Vergleichende Analyse von Elektrolyse-Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff auf hohem Druckniveau
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Date
2025
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Abstract
Am Westfälischen Energieinstitut der Westfälischen Hochschule Gelsenkirchen wurde in den letzten sieben Jahren ein PEM-Elektrolysesystem (PEM: Proton Exchange Membrane oder Protonen-Austausch-Membran) zur Produktion von Wasserstoff und Sauerstoff unter Druck entwickelt. Der Ansatz basiert auf dem Prinzip der hydraulischen Verdichtung; die erforderlichen Verpresskräfte für jede einzelne Zelle des Elektrolysestacks werden durch ein unter Druck stehendes flüssiges Medium erzeugt.
Nach dem Bau und dem Betrieb einer Demonstrationsanlage für derartige Hochdruckelektrolyseure im Jahr 2018 [WEI22] wurde Optimierungsbedarf in der Anlagentechnik und am Funktionsprinzip erkennbar, um den Energiebedarf für die Wasserstoffproduktion und Verdichtung zu reduzieren. Vergleicht man die verschiedenen Möglichkeiten Wasserstoff mittels PEM-Elektrolyse herzustellen und zu verdichten auf Basis des Energiebedarfs, so lassen sich derartige Hochdruckelektrolyseure bewerten.
Insbesondere wird der Einfluss des absoluten Drucks auf die PEM-Hochdruckelektrolyse betrachtet. Beispielsweise sind Crossover-Verluste vom absoluten Druck abhängig, der in einer PEM-Hochdruckelektrolyse ansteht und erhöhen den Energiebedarf. Durch eine optimierte Prozesssteuerung könnten diese Verluste zumindest teilweise reduziert werden [AKJT23, 1ff.].
Im Rahmen dieser Arbeit wird anhand einer auf Mathematica basierenden Simulation ein detailliertes Modell des PEM-Hochdruckelektrolyseprozesses erstellt und untersucht. Diese Simulation dient dazu, unterschiedliche Wasserstoffverdichtungsprozesse mit vorgelagerter oder gleichzeitiger Elektrolyse unter energetischen und wirtschaftlichen Aspekten zu betrachten und zu bewerten.
At the Westphalian Energy Institute of the Westphalian University of Applied Sciences in Gelsenkirchen, a Proton Exchange Membrane (PEM) electrolysis system has been developed over the past seven years for the production of hydrogen and oxygen under pressure. The approach is based on the principle of hydraulic compression; the necessary compression forces for each individual cell of the electrolysis stack are generated by a pressurized liquid medium. Following the construction and operation of a demonstration plant for such high-pressure electrolyzers in 2018, optimization needs in plant technology and operational principles became apparent to reduce the energy requirements for hydrogen production and compression. Comparing the various methods of producing and compressing hydrogen using PEM electrolysis based on energy consumption allows for the evaluation of such high-pressure electrolyzers. In particular, the influence of absolute pressure on PEM high-pressure electrolysis is considered. For example, crossover losses depend on the absolute pressure present in PEM high-pressure electrolysis, increasing energy requirements. Optimized process control could partially reduce these losses. This work aims to create and investigate a detailed model of the PEM high-pressure electrolysis process using a simulation based on Mathematica. This simulation serves to examine and evaluate different hydrogen compression processes with upstream or simultaneous electrolysis from both energetic and economic perspectives.
At the Westphalian Energy Institute of the Westphalian University of Applied Sciences in Gelsenkirchen, a Proton Exchange Membrane (PEM) electrolysis system has been developed over the past seven years for the production of hydrogen and oxygen under pressure. The approach is based on the principle of hydraulic compression; the necessary compression forces for each individual cell of the electrolysis stack are generated by a pressurized liquid medium. Following the construction and operation of a demonstration plant for such high-pressure electrolyzers in 2018, optimization needs in plant technology and operational principles became apparent to reduce the energy requirements for hydrogen production and compression. Comparing the various methods of producing and compressing hydrogen using PEM electrolysis based on energy consumption allows for the evaluation of such high-pressure electrolyzers. In particular, the influence of absolute pressure on PEM high-pressure electrolysis is considered. For example, crossover losses depend on the absolute pressure present in PEM high-pressure electrolysis, increasing energy requirements. Optimized process control could partially reduce these losses. This work aims to create and investigate a detailed model of the PEM high-pressure electrolysis process using a simulation based on Mathematica. This simulation serves to examine and evaluate different hydrogen compression processes with upstream or simultaneous electrolysis from both energetic and economic perspectives.
Description
Table of contents
Keywords
PEM Hochdruckelektrolyse
Subjects based on RSWK
PEM-Brennstoffzelle