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Forschungszentrum Jülich auf der Hannover Messe 2018

Jülich, 17. April 2018 - Platin macht die PEM-Elektrolyse teuer, hieß es früher. Doch mittlerweile benötigen Jülicher Forscher nur noch ein Zehntel davon für ihre Zellen zur Herstellung von "grünem" Wasserstoff. Noch relativ neu sind reversible Brennstoffzellen, die Wasserstoff gleich selbst produzieren oder Arbeiten zu synthetischen Kraftstoffen, die sehr viel sauberer verbrennen als normaler Diesel und Benzin. Dies sind nur einige der Themen, die Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich in diesem Jahr auf der Hannover Messe (Halle 27, Stand D68) präsentieren.

An Ständen des Ministeriums für Wirtschaft NRW stellen Jülicher Forscher maßgeschneiderte Instrumente für anspruchsvolle Anwendungen in der Luftfahrt vor (Halle 2, Stand B30), und geben Einblicke in Hightech-Untersuchungen mit Neutronen in der Energieforschung (Halle 27, Stand F73).

In einem Vortrag auf dem Integrated Energy Plaza informieren sie zudem über erste Ergebnisse des Kopernikus-Projekts zu Power-to-X, das ökonomisch sinnvolle Ansätze zur Nutzung und Umwandlung erneuerbarer Energien identifizieren soll (26.4., 14.30 – 14:50 Uhr, Halle 27, Stand H74).

Für den Umstieg auf erneuerbare Energien sind Technologien zum Speichern der Energie gefragt. Wasserstoff kann dabei wertvolle Dienste leisten. Insbesondere im Verkehrssektor, denn etwa ein Drittel der erzeugten Energie wird momentan für die Mobilität benötigt. Der flächendeckende Ausbau mit Wasserstoff-Tankstellen lohnt sich vor allem dann, wenn sehr viele Fahrzeuge versorgt werden müssen. Ab mehreren Millionen Fahrzeugen ist die notwendige Infrastruktur deutlich günstiger als das Aufstellen von Ladesäulen für vergleichbar viele Elektroautos mit Batterie - das haben Wissenschaftler de Forschungszentrums Jülich in einer Studie kürzlich gezeigt. ("Batterie oder Brennstoffzelle? Jülicher Forscher berechnen Kosten des Infrastrukturausbaus" vom 20. Januar 2018)

Fast frei von Platin: neue PEM-Elektrolyseure für "grünen" Wasserstoff

Voraussetzung für die umweltfreundliche Wasserstoff-Technologie ist die Erzeugung von "grünem" Wasserstoff durch die Umwandlung von Wasser mithilfe von Wind- und Sonnenstrom. Jülicher Forscher stellen hierfür eine neue Generation von Elektrolysezellen vor, die perfekt zu den fluktuierenden erneuerbaren Quellen passen. PEM-Elektrolyseure enthalten in ihrem Innern eine Polymer-Elektrolyt-Membran. Sie vertragen hohe Stromdichten und passen sich in Sekundenschnelle an abrupte Stromschwankungen an, sodass sie große Mengen von Solar- und Windenergie nutzen können und mehr Wasserstoff erzeugen als herkömmliche Elektrolyseure. Als nachteilig galten bislang vor allem die hohen Kosten, die insbesondere durch den hohen Gehalt an Edelmetallen verursacht werden.

Forscher des Jülicher Instituts für Energie- und Klimaforschung (IEK-3) haben nun eine neue Generation von PEM-Elektrolysezellen entwickelt, die mit deutlich weniger Edelmetallen auskommt als bisher. Durch die Optimierung der Beschichtungsverfahren konnten sie den Platingehalt an der Kathode auf ein Zehntel (0,1 mg/cm2) reduzieren. Nach aktuellen Marktpreisen wird so pro Quadratmeter Zellfläche nur noch Platin im Wert von 25 Euro benötigt. Der Iridiumgehalt an der Anode verringerte sich auf ein Fünftel (0,4 mg/cm2). Weiter ausgereift sind auch die porösen Transportschichten, die nun hohe Leistungsdichten und einen langzeitstabilen Betrieb erlauben. (Halle 27, Stand D68)

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Länge: 00:27 min

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Strömungsexperiment mit einer 1 Quadratmeter großen PEM-Testzelle: Sogenannte Strömungsfelder aus Titan sind relativ teuer. Im Experiment wurde u.a. der Einsatz kostengünstiger Streckgitter erprobt, deren Fertigung mit wenig Materialverlust auskommt und die für einen guten Fluss der Betriebsstoffe (Wasser, Wasserstoff und Sauerstoff) sorgen.
Copyright: Forschungszentrum Jülich / T. Schlößer (Bild herunterladen)

Eine für alles: reversible Brennstoffzelle für die Insel

Noch relativ neu sind reversible Brennstoffzellen, die sich in zwei Richtungen betreiben lassen. Sie erzeugen – je nach Bedarf – Strom oder auch selbst Wasserstoff, wenn ihnen nicht anders benötigter Strom zugeleitet wird. Solche Zellen könnten beispielsweise dazu beitragen, abgelegene Inseln oder Hütten und Stationen in den Bergen autark mit Energie zu versorgen. Mithilfe von Strom, der aus Solarzellen oder von Windrädern stammt, produzieren die Zellen dann Wasserstoff, der sich auch über lange Zeiträume gut speichern lässt. Ebenfalls nützlich: Beim Rückverstromen fällt als Endprodukt reines Wasser ab, das man für die Wasserversorgung verwenden kann.

Jülicher Forscher haben zu Demonstrationszwecken einen 5-kW-Stack mit Hochtemperatur-Brennstoffzellen aufgebaut, der auch im Elektrolysemodus betrieben werden kann. Die Zellen arbeiten bei 600 bis 800 Grad Celsius und erreichen dabei im Brennstoffzellenmodus höchste elektrische Wirkungsgrade von bis zu 60 Prozent. Die Abwärme lässt sich mittels Kraft-Wärme-Kopplung zum Heizen oder Kühlen nutzen, was die Effizienz noch weiter verbessert. Der Zellaufbau beruht auf in Jülich entwickelten, extrem langlebigen keramischen Festoxid-Brennstoffzellen. In einem Langzeittest liefern diese seit über 10 Jahren Strom – so lange wie keine andere Zelle dieses Typs zuvor. Die reversible Variante als rSOC (reversible Solid Oxide Cell) hält bis jetzt allerdings noch nicht so lange durch. Die speziellen Bedingungen im Elektrolysemodus führen typischerweise zu einer erhöhten Alterung der Elektroden. (Halle 27, Stand D68)

Gegen Stickoxide: saubere synthetische Kraftstoffe für Verbrenner

Auf dem Weg zu umweltfreundlichen Fahrzeugen kann man beim Antrieb ansetzen – oder beim Treibstoff. Wissenschaftler am Institut für Energie- und Klimaforschung (IEK-3) erforschen synthetische Kraftstoffe, die sehr viel sauberer verbrennen als herkömmlicher Diesel und Benzin. Ziel ist es, einen Designer-Treibstoff zu finden, der kaum Stickoxide freisetzt und gleichzeitig wenige Rußpartikel, also Feinstaub, bildet.

Klimafreundlich sind synthetische Kraftstoffe vor allem dann, wenn sie nicht wie bisher aus Erdgas, sondern aus Wasser und CO2 hergestellt werden. Jülicher Forscher führen auf der Hannover Messe einen sogenannten Treibstrahlschlaufenreaktor vor, in dem die Substanzen in unterschiedlichen Zuständen – fest, flüssig und gasförmig – miteinander reagieren. In herkömmlichen, einfacher aufgebauten Reaktortypen liegen dagegen alle Stoffe in der Gasphase vor. In dem Jülicher Testreaktor saugt ein Flüssigkeitsstrahl Gas in die umlaufende Flüssigkeit ein und erzeugt kleine Gasbläschen mit großer Oberfläche, an der die beiden Substanzen miteinander reagieren. Zudem können in den Schlaufenreaktor über einen Ring am Boden zusätzliche Gase eingebracht werden. (Halle 27, Stand D68)

Ausgeklügeltes Design: kontaktlose Messung im Flug

In der Luftfahrt geht nichts ohne strömungstechnische Optimierung. Das gilt auch für die Messinstrumente, mit denen Forschungsflugzeuge für die Atmosphärenforschung ausgestattet werden. Experten des Jülicher Instituts für Engineering und Technologie (ZEA-1) haben gemeinsam mit Partnern des Instituts für Energie- und Klimaforschung sowie des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrttechnik (DLR) zwei Lufteinlässe entwickelt, die mittlerweile weltweit bei Messkampagnen mit dem deutschen Forschungsflugzeug HALO eingesetzt werden.

Gemessen werden unter anderem OH-Radikale, die wesentlich zur Selbstreinigung der Atmosphäre beitragen. Das ausgeklügelte Design bremst die einströmende Luft gezielt ab und verhindert, dass die reaktionsfreudigen Moleküle mit der Oberfläche in Kontakt kommen. Und die von Jülicher Ingenieuren maßgefertigten Stücke meistern noch eine weitere Herausforderung. Sie sind für den sicheren Flugbetrieb zertifiziert. Das schließt eine Prüfung auf Kollisionen mit Vögeln in aufwendigen Simulationsrechnungen und Experimenten mit ein: ein Problem, mit dem auch viele andere Flugzeuge immer wieder zu kämpfen haben. (Halle 2, Stand B30)

Forschungsflugzeug HALOForschungsflugzeug HALO (High Altitude and Long Range Research Aircraft)
Copyright: DLR (CC-BY 3.0)

Neutronen: perfekte Sonden für die Energieforschung

Neutrnen tragen keine elektrische Ladung. Daher interagieren sie nicht mit der Elektronenhülle, sondern nur mit den Kernen der Atome und dringen tief in die Materie ein. Das macht sie zu idealen Sonden, insbesondere für Untersuchungen an "leichten" Elementen wie Wasserstoff und Lithium. Neutronen sind daher prädestiniert für Materialien, die aktuell im Energiebereich erforscht werden: für bessere Batterien, Brennstoffzellen und Solarzellen.

Am Institut Laue-Langevin (ILL), das sich in diesem Jahr auf dem Gemeinschaftsstand des Landes NRW auf der Hannover Messe präsentiert, führen jedes Jahr etwa 1400 Wissenschaftler über 850 Experimente an rund 40 Instrumenten durch. Modernste Gerätschaften ermöglichen es Forschern, Proben an dieser weltweit stärksten Neutronenquelle bei unterschiedlichen Temperaturen, Drücken und Magnetfeldern zu erforschen, um reale Arbeitsbedingungen möglichst genau abzubilden. Das ILL arbeitet auch eng und vertraulich mit Forschungsabteilungen von Industrieunternehmen zusammen. Deutschland ist als Gesellschafter zu 33 Prozent beteiligt und wird in dieser Funktion durch das Forschungszentrum Jülich vertreten. (Halle 27, Stand F73)

Tomografien einer BrennstoffzelleTomografien einer Brennstoffzelle: Neutronenstrahlung macht auch leichtere Elemente sichtbar, in diesem Fall die Verteilung von Wasser in der Zelle im Betrieb. Dies ist wichtig zur Optimierung von Performance und Lebensdauer der Zellen.
Copyright: D. Atkins (ILL), A. Tengattini (UGA) - courtesy of A. Morin CEA-Liten, Grenoble

Power-to-X: Sektorkopplung für die Energiewende

Deutschland ist international Vorreiter bei den erneuerbaren Energien. Doch darauf kann es sich nicht ausruhen. Sonnenenergie und Windkraft fluktuieren stark. Für den zunehmenden Ausbau im Zuge der Energiewende sind daher Technologien vonnöten, die es ermöglichen, die erzeugte Energie zwischenzuspeichern und in andere Sektoren zu überführen. Beispiele sind etwa die Erzeugung und Speicherung von Wasserstoff oder Methan durch Elektrolyse (Power-to-Gas) sowie die Umwandlung in flüssige Substanzen wie etwa synthetische Kraftstoffe für die Mobilität (Power-to-Liquid) und hochwertige Basischemikalien für die chemische Industrie (Power-to-Chemicals).

Auf der Integrated Energy Plaza der Hannover Messe gibt Projektkoordinator Prof. Rüdiger-A. Eichel vom Forschungszentrum Jülich einen Überblick über Aktivitäten und Zwischenergebnisse des Kopernikus-Projekts P2X, das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert wird. Wissenschaftler aus insgeamt 50 Einrichtung und Unternehmen erkunden und vergleichen darin unterschiedliche Strategien und Prozesse, die eine flexiblere Nutzung und Speicherung von Strom aus volatilen erneuerbaren Energien ermöglichen. Ziel ist es, unter mehreren Möglichkeiten ökonomisch sinnvolle Ansätze zu identifizieren und herauszufinden, welcher Technologie-Mix für die Zukunft am besten geeignet ist. (26.4., 14.30 – 14:50 Uhr, Halle 27, Stand H74)

Weitere Informationen:

Institut für Energie- und Klimaforschung, Elektrochemische Verfahrenstechnik (IEK-3)
Zentralinstitut für Engineering, Elektronik und Analytik Engineering und Technologie (ZEA-1)
Neutronenquelle am Institut Laue-Langevin (ILL)
Institut für Energie- und Klimaforschung, Grundlagen der Elektrochemie (IEK-9)

Ansprechpartner:

Gemeinschaftsstand Hydrogen + Fuel Cells + Batteries (Halle 27, Stand D68)

Dr.-Ing. Bernd Emonts (Wissenschaftliche Koordination & ständige Vertretung des Institutsleiters), IEK-3
Tel.: +49 2461 61-3525
E-Mail: b.emonts@fz-juelich.de

Dr.-Ing. Martin Müller (Verfahrenstechnik Elektrolyse), IEK-3
Tel.: +49 2461 61-1859
E-Mail: mar.mueller@fz-juelich.de

Prof. Dr. Werner Lehnert (Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen), IEK-3
Tel.: +49 2461 61-3915
E-Mail: w.lehnert@fz-juelich.de

Prof. Dr. Ralf Peters (Synthetische Kraftstoffe), IEK-3
Tel.: +49 2461 61-4260
E-Mail: ra.peters@fz-juelich.de

Prof. Ludger Blum (reversible Festoxid-Brennstoffzelle), IEK-3
Tel.: +49 2461 61-6709
E-Mail: l.blum@fz-juelich.de

Dr-Ing. Martin Robinius (Verfahrens- und Systemanalyse), IEK-3
Tel.: +49 2461 61-3077
E-Mail: m.robinius@fz-juelich.de

Stand des Ministeriums für Wirtschaft NRW, Schlüsseltechnologien und Neue Werkstoffe (Halle 2, Stand B30)

Dr. Harald Glückler (Messsystem für die Luftfahrt), ZEA-1
Tel.: +49 2461 61-5824
E-Mail: h.glueckler@fz-juelich.de

Stand des Ministeriums für Wirtschaft NRW, Nordrhein-Westfalen Gemeinschaftsstand (Halle 27, Stand F73)

Dr. Ralph Dieter (Institut Laue-Langevin), VS-I
Tel.: +33 47620-7441
E-Mail: r.dieter@fz-juelich.de

Vortrag Power-to-X – Schlüsseltechnologie zur Sektorkopplung (Integrated Energy Plaza, Halle 27, Stand H74)

Prof. Dr. Rüdiger-A. Eichel, IEK-9
Tel.: +49 2461 61-4644
E-Mail: r.eichel@fz-juelich.de

Pressekontakt:

Tobias Schlößer
Unternehmenskommunikation
Tel. +49 2461 61-4771
E-Mail: t.schloesser@fz-juelich.de