Elektrochemische Energiespeicher - EES -

Die Arbeitsgruppe Elektrochemische Energiespeicher erforscht Batterien und Elektrolyseure zur Integration fluktuierender erneuerbarer Energien ins Energiesystem. Aufbauend auf Projekten zur Wasserstoffspeicherung und unterschiedlichen Brennstoffzellensystemen liegt der Schwerpunkt der aktuellen Arbeit auf PEM-Elektrolysesystemen und Vanadium-Redox-Flow-Batterien. In enger Zusammenarbeit mit Lehrstühlen und Industriepartnern werden Einzelkomponenten und Systeme optimiert – mit den übergeordneten Zielen Effizienzsteigerung, Lebensdauermaximierung und Kostenreduktion.

Wesentliche Schwerpunkte der Arbeiten sind:

  • Untersuchungen elektrochemischer Systeme
  • PEM-Elektrolyseure
  • Vanadium-Redox-Flow-Batterie
  • Materialuntersuchungen und Weiterentwicklung
  • Entwicklung von Zell- und Stack-Designs zur Leistungssteigerung
  • Degradationsmessungen
  • Analyse elektrochemischer Systeme in verschiedenen Anwendungen

Ansprechpartner:
Gruppenleiter:
Dr. Matthias Rzepka
Walther-Meißner-Str. 6
85748 Garching
Tel.: +49 89 329442-31
Fax: +49 89 329442-12
matthias.rzepka@zae-bayern.de

Stellv. Gruppenleiter:
Tobias Greese M.Sc.
Walther-Meißner-Str. 6
85748 Garching
Tel.: +49 89 329442-66
Fax: +49 89 329442-12
tobias.greese@zae-bayern.de

Link zum Gruppenflyer

Leistungen & Ausstattung

Leistungen

  • Analyse von PEM-Elektrolyseuren und Redox-Flow-Batterien
  • Weiterentwicklung von Zellkomponenten (u. a. Elektrodenmaterialien)
  • Konstruktion und Bau von Einzelzellen und Stacks
  • Herstellung Membran-Elektroden-Einheiten (MEA)
  • Elektrochemische Charakterisierung von Zellkomponenten
  • Analyse der Verlustmechanismen und Performancemessungen an Einzelzellen und Stacks (Labor- und Industriemaßstab)
  • Katalysatorscreening
  • Untersuchung der Katalysatordegradation
  • Techno-ökonomische Modellierung von Speichersystemen in verschiedenen Anwendungen
  • Ladungs- und Stofftransportmodellierung auf Zellebene
  • Simulative Analyse von Alterungsphänomenen

Ausstattung

  • PEM-Elektrolyse-Testsysteme
    • Laborzellen und Stacks für Materialuntersuchungen
    • Stack-Teststand bis 10 Zellen, bis 600 A
    • 2 Einzelzell-Teststände bis 30 A
    • Teststand für Wassertransport und Katalysatordegradation
    • Elektrochemische Impedanz-Spektroskopie, Strom-Spannungscharakteristik und Zyklenmessungen im gesamten DC-Strombereich
  • Redox-Flow-Testsysteme
    • Laborzellen für Materialuntersuchungen
    • Vermessung von Stacks und Prototypen bis zu 15 kW
    • Elektrochemische Impedanz-Spektroskopie, Strom-Spannungscharakteristik und Zyklenmessungen unter Ladezustands- und Temperaturkontrolle
  • Dreielektrodenmessanordnung und Rotating-Disk-Electrode (RDE) Setup
  • Laborausstattung zur Elektrolytanalyse und Elektroden-Vorbehandlung (Plasmaanlage, Hochtemperaturöfen)
  • Massenspektrometer für Gasanalyse
  • Redox-Flow-Modelle zur Systemsimulation (Matlab, Python)
  • COMSOL Multiphysics Zellmodelle zur Stoff- und Transportsimulation sowie zur Fluidsimulation

Projekt-Highlights

Kopernikusprojekt Power2X –
Entwicklung eines hocheffizienten Elektrolysesystems (PEM) zur Wasserstofferzeugung aus erneuerbaren Energien mit verminderter Edelmetallbelegung

ZAE Bayern KopernikusPower2X Projekt

Übergeordnetes Ziel innerhalb des Forschungsclusters im Kopernikusprojekt P2X ist die Überführung der Ergebnisse der bisherigen grundlegenden Arbeiten in die Praxis. Die neuentwickelten Katalysatoren für die Anodenseite der PEM-Elektrolyse zur Wasserstoffherstellung werden in Verbindung mit besonders dünnen Membranen in einen angepassten kommerziellen Stack (Zellstapel) im Leistungsbereich bis mehrere 100 kW integriert. Ein wichtiger Gesichtspunkt ist hierbei, ob diese Stacks eine ausreichend hohe Lebensdauer aufweisen. Am ZAE Bayern wird dabei die Charakterisierung der Performance und die Untersuchung der Langzeitstabilität der von Projektpartnern bereitgestellten Short-Stacks durchgeführt. Zudem wird der langfristige Verlust an Edelmetall (Iridium) in realen PEM-Elektrolysezellen überprüft.

Projektleitung: Maximilian Möckl, maximilian.moeckl@zae-bayern.de
Projektzeitraum: 9.2019 - 8.2022

open_BEA –
Open Source Batteriemodelle zur Modellierung von Energiesystemen in Netzanwendungen

ZAE Bayern-open_BEA Projekt -  Graphik

Die bevorstehende Kopplung der Sektoren Verkehr und Strom sowie die Möglichkeiten der netzintegrierten Energiespeicherung schaffen neue Potenziale und Herausforderungen zugleich. Die Auswirkungen ins Stromnetz integrierter Speicher auf den weiteren Netzausbaubedarf oder die mögliche Nutzung Batterieelektrischer Fahrzeuge als Flexibilitätsoption sind beispielsweise noch wenig erforscht. Die Untersuchung dieser Szenarien erfordert ein möglichst detailliertes Gesamtsystemmodell, das Batteriespeicher, Elektromobilität und Zeitreihen der zukünftigen Stromerzeugung in Verteilnetzstrukturen abbildet.
Im Projekt open_BEA wird, zusammen mit der Technischen Universität München und dem Reiner Lemoine Institut Berlin, ein Open-Source-Modellierungstool realisiert und der Öffentlichkeit zur Verfügung gestellt. Diese Simulationsplattform erlaubt detaillierte Alterungs- und Performance-Modellierungen von Redox-Flow- und Lithium-Ionen-Speichersystemen sowie Zeitreihensimulationen eines gesamten Verteilernetzes mit einer Vielzahl von Erzeugern, Verbrauchern und Speichereinheiten. Mit dem neu entstehenden Software-Tool lässt sich beispielsweise modellieren, wie stationäre Speicher optimal positioniert, dimensioniert und betrieben werden, um netzdienliche Dienstleistungen wie Blindleistung bereitstellen zu können. Ebenso kann durch parametrierte Simulationen überprüft werden, welche Speichertechnologie für einen vorgegebenen Anwendungsfall kostenoptimal ist.

Projektleitung: Dr. Matthias Rzepka, matthias.rzepka@zae-bayern.de
Projektzeitraum: 11.2018 - 10.2021
Webseite: https://openbeaproject.wordpress.com/

ELVABATTslim –
Entwicklung innovativer dünner Elektroden und angepasster Flussrahmen zur Effizienzsteigerung von Vanadium-Redox-Flow Batterien

ZAE Bayern ELVABATTslim - Apparatur Aufbau

Ziel des Projekts ist die zeitnahe Bereitstellung einer neuen Generation effizienter und wartungsarmer elektrischer Redox-Flow-Speicher. Diese dienen der Glättung fluktuierender erneuerbarer Stromerzeugung und somit der Umsetzung der Energiewende. Der Fokus liegt dabei auf der Verbesserung der Hauptkomponente von Redox-Flussbatterien, der Wandlereinheit, die unter anderem aus Elektroden und darauf angepassten Flussrahmen besteht.
Simulationen und Messungen solcher Elektroden im Vorgängerprojekt ELVABATT zeigten, dass ein unerwartet hoher Anteil des Elektrodenvolumens nicht voll in die Redox-Reaktion eingebunden ist. Aufgrund der geringen ionischen Leitfähigkeit des Elektrolyten findet die Reaktion hauptsächlich in Membrannähe statt. Effektiv ist deshalb nur ca. 1 mm der typischerweise etwa 4 mm dicken Elektrode wirksam, der Rest bleibt bisher weitestgehend ungenutzt.

Im Projekt ELVABATTslim werden deshalb dünnere Elektroden entwickelt, die, in Kombination mit neuartiger Elektrolytströmungsführung, eine mindestens verdoppelte volumenspezifische Leistungsdichte erreichen. Dies ermöglicht einen kompakteren Stackaufbau, eine deutliche Reduktion von Material und somit Kosten der Batterie und folglich eine weitere Verbesserung der Marktfähigkeit der VRFB-Speichertechnologie.

Projektleitung: Stefanie Tafelmeier, stefanie.tafelmeier@zae-bayern.de
Projektzeitraum: 11.2019 – 10.2021

ZAE Bayern

Wir betreiben angewandte Forschung an der Schnittstelle zwischen Grundlagen und Industrie. Dort entwickeln wir Methoden und Systeme, die durch intelligente und effiziente Nutzung erneuerbarer Energien CO2-Neutralität ermöglichen und so dem Klimawandel entgegenwirken.

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