Verbundvorhaben HERA - Grüner Wasserstoff für die Kopplung von nachhaltig erzeugtem Biogas mit erneuerbaren Energien und Erdgas: Hoch effizienter und leistungsfähiger alkalischer Wasserelektrolyseur

Abstract

Das HERA‑Projekt zielte auf die Entwicklung und Validierung eines fortschrittlichen alkalischen Wasserelektrolyseurs zur Erzeugung von grünem Wasserstoff und dessen Integration in Systeme zur Kopplung von Biogas, erneuerbaren Energien und Erdgas ab. Zentrale Arbeitsschwerpunkte umfassten die Untersuchung dünner PBI‑basierter Membranen als Alternative zu konventionellen Diaphragmen sowie die Entwicklung hochaktiver, edelmetallfreier Elektroden. Ein modularer Mehrzellen‑Laborstack sowie ein industriell relevanter Short‑Stack wurden ausgelegt, aufgebaut und unter praxisnahen Betriebsbedingungen getestet. Die Skalierung der Elektrodenkonzepte konnte erfolgreich demonstriert werden, die angestrebten Leistungskennwerte wurden jedoch aufgrund erhöhter ohmscher Verluste im skalierten System nur teilweise erreicht. Für die kombinierte Anwendung dünner Membranen und projektspezifischer Elektroden im Mehrzellenbetrieb wurden Einschränkungen, insbesondere hinsichtlich mechanischer Stabilität und Gas‑Crossover, identifiziert. Die Ergebnisse bilden eine Grundlage für die weitere Optimierung von Stackdesign, Komponentenintegration und Betriebsstrategien in alkalischen Elektrolysesystemen. The HERA project focused on the development and validation of an advanced alkaline water electrolyzer for the production of green hydrogen and its integration with biogas, renewable energy, and natural gas systems. Key objectives included the investigation of thin PBI-based membranes as alternatives to conventional diaphragms and the development of highly active, noble-metal-free electrodes. A modular multi-cell laboratory stack and an industrial short stack were designed, constructed, and tested under relevant operating conditions. The scaling of electrode concepts was successfully demonstrated, while performance targets were only partially achieved due to increased ohmic losses in the scaled system. Limitations were identified for the combined use of thin membranes and developed electrodes in multi-cell configurations, particularly regarding mechanical stability and gas crossover. The results provide a basis for further optimization of stack design, component integration, and operational strategies in alkaline electrolysis system