Das Projekt "Teilvorhaben: Entwicklung eines Hochleistungs-fs-Lasers" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Amphos GmbH durchgeführt. Das Gesamtziel dieses Projektes ist die Entwicklung neuartiger Elektrodenmaterialen für die alkalische Elektrolyse von Wasser, die gegenüber herkömmlichen Materialien bei deutlich höheren Strom-dichten (bis 10 kA/m2) und signifikanten Lastschwankungen (fluktuierender Betrieb im Zusammenhang mit erneuerbaren Primärenergiequellen) sowie hoher Effizienz (80%) und hoher Langlebigkeit (90.000 h) betrieben und zu niedrigen spezifischen Kosten hergestellt werden können. Dieses Ziel soll durch ein innovatives lasergestütztes Strukturierungsverfahren (Hochdurchsatz-verfahren) von elektrokatalytischen Metalloberflächen erreicht werden. Das konkrete Ziel des Teilvorhabens 'Entwicklung einer neuartigen Femtosekunden-Hochleistungsstrahlquelle und eines Grossflächen-Scanners zur Nanostrukturierung' ist der erstmalige Aufbau eines Hochleistungs-Lasersystems mit Femtosekunden-Pulsdauer, Pulsenergie im Bereich von 1-2mJ und einer Ausgangsleistung im Bereich von 300W-400W. Darüber hinaus soll ein Scannersystem basierend auf einem Polygonscanner entwickelt werden, das zur großflächigen Nanostrukturierung von Elektrodenmaterialien eingesetzt werden kann. Das Projekt umfasst somit die Entwicklung der Grundlagen für ein industrietaugliches Lasersystem mit mehreren 100W Ausgangsleistung, Pulsenergie im Bereich 1-2mJ und Pulsdauer kleiner als 500 fs Der weitere Teil befasst sich mit der Entwicklung eines ultraschnellen Scannersystems, das großflächig eine beugungsbegrenzte Fokussierung ermöglicht. Der Arbeitsplan umfasst Arbeiten zur Pulsstreckung und Kompression bei hoher Pulsenergie und hoher mittlerer Ausgangsleistung. Neuartige Kompressionsgitter und Hohlkernfasern werden hier untersucht. Im Bereich des Scannersystems wird der optische Strahlengang entwickelt und spezielle, nicht verfügbare Fokussiersysteme ausgelegt.
Das Projekt "Teilprojekt: Zellbau und Systemtests" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Technische Universität Cottbus-Senftenberg, Institut für Energietechnik, Lehrstuhl für Kraftwerkstechnik durchgeführt. Das F/E-Verbundvorhaben zielt auf das innovative Konzept, die Effizienz und Leistungsdichte (Raum-Zeit-Ausbeute) der alkalischen Elektrolyse durch ein gezieltes Gasblasenmanagement mittels neuartiger poröser dreidimensionaler Elektrodenmaterialien zu erhöhen. Speziell soll die effektive Stromdichte unter Berücksichtigung niedriger Überspannungen deutlich erhöht werden, indem der störende Einfluss der entstehenden Gase durch die poröse 3D-Elektrodenstruktur reduziert wird. Das Projekt AEL3D untergliedert sich in folgende Projektschritte: 1. die Einbringung elektrochemisch aktiver Katalysatormaterialien in ein poröses dreidimensionales metallisches Gerüst (Schaummatte oder Vlies) auf Eisen oder Nickelbasis und deren elektrochemische und strukturelle Charakterisierung, 2. erstmalige Untersuchungen einer Zweiphasenströmung (Gasblasen-Elektrolyt-Gemisch) durch eine solche rigide poröse 3D-Struktur mittels CFD-Simulationen und In-operando-Experimenten (Videosonde, Radiographie, Tomographie) sowie daraus abgeleitete Auslegungsvorschriften zum Zelldesign, 3. die Testung der neuartigen Elektrodenmaterialien und -strukturen in einem zweistufigen Prozess in einer 30bar-Einzelzelle sowie in einem alkalischen 60bar-Testelektrolyseur unter realen Betriebsbedingungen bei einer Elektrodenfläche von ca. 0,56 m2 sowie 4. die technisch-ökonomische Bewertung des neuen Elektrodenmaterials hinsichtlich seiner Tauglichkeit für den großtechnischen Einsatz.
Das Projekt "Teilvorhaben: Entwicklung galvanischer Verfahren als Substrat für die Laserstrukturierung" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von MTV Metallveredlung GmbH & Co. KG durchgeführt. Projektziel ist die Entwicklung neuartiger Elektrodenmaterialen für die alkalische Wasserelektrolyse, die bei deutlich höheren Stromdichten (bis 10 kA/m2) und starken Lastschwankungen sowie hoher Effizienz (80%) und Langlebigkeit (90.000 h) betrieben und zu niedrigen spezifischen Kosten hergestellt werden können. Das Ziel soll durch ein innovatives lasergestütztes Strukturierungsverfahren von elektrokatalytischen Metalloberflächen erreicht werden. Diese Materialien besitzen eine sehr hohe aktive Oberfläche, die aufgrund der hohen Dichte an Defektstellen zu einer hohen katalytischen Aktivität für die H2- bzw. O2- Entwicklung führt. Darüber hinaus profitieren diese neuartigen laserstrukturierten Materialien von einer hohen mechanischen Belastbarkeit bzw. Langzeitstabilität sowie einer erhöhten elektrischen Leitfähigkeit, da sie aus Vollmaterial bestehen. Zum Erreichen des Projektziels steht die Optimierung der Elektrodenstruktur auf Labor- und Kleinserienmaßstab im Hinblick auf eine sehr hohe elektrochemische Aktivität für die H2- als auch die O2- Entwicklungsreaktion, verbunden mit einem geringen Degradationsverhalten im Vordergrund. Hierfür werden in mehreren Iterationsschritten Anpassungen hinsichtlich Strukturierungsprozessführung als auch Legierungszusammensetzung vorgenommen. Es ist vorgesehen, einen speziellen Testelektrolyseur für die Erprobung der strukturierten Elektroden in Kachelgröße (0,25 m2) aufzubauen und in Betrieb zu nehmen, welche am Fraunhofer IFAM positioniert ist und in dem unter realen Betriebsbedingungen Testungen durchgeführt werden können. Die Ergebnisse sollen nach ökonomischen und technischen Gesichtspunkten bewertet werden, um Schlüsse für eine neue Elektrolyseurgenerationen zu ziehen.
Das Projekt "Teilprojekt 2: Elektrochemische Charakterisierung und strukturelle Analyse geeigneter Elektrodenmaterialien bis zum Halbzellenmaßstab" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen durchgeführt. Das Gesamtziel des Vorhabens ist die Reduktion der Investitionskosten der alkalischen Elektrolyse im Quadratmetermaßstab von derzeit 1000 €/kW auf zukünftig 700 €/kW. Die Reduktion der Investitionskosten wird einerseits durch die Leistungsoptimierung der Elektroden und andererseits durch die Verringerung der Herstellungskosten erreicht. Dabei soll im genannten Vorhaben durch das IMWS eine Leistungssteigerung der Elektroden durch neue Materialkombinationen und Modifikationen der Elektrodenstruktur erfolgen. Begleitend wird weiterhin die Funktionalität der Schichten durch die Aufklärung der Struktur-/Wirkungsbeziehung mit Hilfe von bildgebenden und spektroskopischen Verfahren (z.B. FIB, REM, TEM, XPS, ortsaufgelöste Raman-Spektroskopie) sowie mittels mechanischer Charakterisierung analysiert und anschließend optimiert. Durch elektrochemische Charakterisierungen im Labor- und Zellmaßstab erfolgt der Übertrag der Ergebnisse auf die Beschichtungsentwicklung beim FZJ. Mitarbeit in allen 5 Arbeitspaketen (16 PM WiMi, 2 PM Graduierter und 3 PM Techniker) 1. Definition der für die Elektrodenentwicklung einzuhaltenden Randbedingungen - Materialauswahl und Festlegung von Benchmarks, Identifikation geeigneter Charakterisierungsmethoden, Zielabstimmung (2 PM WiMi) 2. Entwicklung von Elektroden im Maßstab typischer Testzellen - Identifikation Katalysatorzulieferer, Materialcharakterisierung hinsichtlich Verarbeitbarkeit und Herstellungsroute, Auslagerungstests und Untersuchung der chemischen und mechanischen Stabilität der 25 cm2-Testelektroden (4,25 PM WiMi und 1,25 PM Techniker) 3. Elektrochemische Charakterisierung neuer Materialien im Labormaßstab - RDE-Messungen, Halbzellentests, Strukturaufklärung (6.25 PM WiMi, 1 PM Graduierter und 0,75 PM Techniker) 4. Entwicklung eines kostengünstigen Beschichtungsverfahrens (1,5 PM WiMi, 0,5 PM Graduierter und 0,5 PM Techniker) und 5. Charakterisierung im Realbetrieb - Post-mortem Analysen (2 PM WiMi, 0,5 PM Grad. und 0,5 PM T.)
Das Projekt "Teilvorhaben: Zelldesign und Integration von Elektroden-Materialien in einen alkalischen Elektrolyseur" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von ELB Elektrolysetechnik GmbH durchgeführt. Projektziel ist die Entwicklung neuartiger Elektrodenmaterialen für die alkalische Wasserelektrolyse, die bei deutlich höheren Stromdichten (bis 10 kA/m2) und starken Lastschwankungen sowie hoher Effizienz (80%) und Langlebigkeit (90.000 h) betrieben und zu niedrigen spezifischen Kosten hergestellt werden können. Das Ziel soll durch ein innovatives lasergestütztes Strukturierungsverfahren von elektrokatalytischen Metalloberflächen erreicht werden. Diese Materialien besitzen eine sehr hohe aktive Oberfläche, die aufgrund der hohen Dichte an Defektstellen zu einer hohen katalytischen Aktivität für die H2- bzw. O2-Entwicklung führt. Darüber hinaus profitieren diese neuartigen laserstrukturierten Materialien von einer hohen mechanischen Belastbarkeit bzw. Langzeitstabilität sowie einer erhöhten elektrischen Leitfähigkeit, da sie aus Vollmaterial bestehen. Zum Erreichen des Projektziels steht die Optimierung der Elektrodenstruktur auf Labor- und Kleinserienmaßstab im Hinblick auf eine sehr hohe elektrochemische Aktivität für die H2- als auch die O2-Entwicklungsreaktion, verbunden mit einem geringen Degradationsverhalten im Vordergrund. Hierfür werden in mehreren Iterationsschritten Anpassungen hinsichtlich Strukturierungsprozessführung als auch Legierungszusammensetzung vorgenommen. Es ist vorgesehen, einen speziellen Testelektrolyseur für die Erprobung der strukturierten Elektroden in Kachelgröße (0,25 m2) aufzubauen und in Betrieb zu nehmen, welche am Fraunhofer IFAM positioniert ist und in dem unter realen Betriebsbedingungen Testungen durchgeführt werden können. Die Ergebnisse sollen nach ökonomischen und technischen Gesichtspunkten bewertet werden, um Schlüsse für eine neue Elektrolyseurgenerationen zu ziehen.
Das Projekt "Teilprojekt: Katalytische Beschichtungen und Gastransport in der Zweiphasenströmung" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg durchgeführt. Das F/E-Verbundvorhaben zielt auf das innovative Konzept, die Effizienz und Leistungsdichte (Raum-Zeit-Ausbeute) der alkalischen Elektrolyse durch ein gezieltes Gasblasenmanagement mittels neuartiger poröser dreidimensionaler Elektrodenmaterialien zu erhöhen. Speziell soll die effektive Stromdichte unter Berücksichtigung niedriger Überspannungen deutlich erhöht werden, indem der störende Einfluss der entstehenden Gase durch die poröse 3D-Elektrodenstruktur reduziert wird Das Projekt AEL3D untergliedert sich in folgende Projektschritte: 1. die Einbringung elektrochemisch aktiver Katalysatormaterialien in ein poröses dreidimensionales metallisches Gerüst (Schaummatte oder Vlies) auf Eisen oder Nickelbasis und deren elektrochemische und strukturelle Charakterisierung, 2. erstmalige Untersuchungen einer Zweiphasenströmung (Gasblasen-Elektrolyt-Gemisch) durch eine solche rigide poröse 3D-Struktur mittels CFD-Simulationen und In-operando-Experimenten (Videosonde, Radiographie, Tomographie) sowie daraus abgeleitete Auslegungsvorschriften zum Zelldesign, 3. die Testung der neuartigen Elektrodenmaterialien und -strukturen in einem zweistufigen Prozess in einer 30bar-Einzelzelle sowie in einem alkalischen 60bar-Testelektrolyseur unter realen Betriebsbedingungen bei einer Elektrodenfläche von ca. 0,56 m2 sowie 4. die technisch-ökonomische Bewertung des neuen Elektrodenmaterials hinsichtlich seiner Tauglichkeit für den großtechnischen Einsatz.
Das Projekt "Teilprojekt 3: Applikation neuer Beschichtungsverfahren bei Druckelektrolyseuren" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von KUMATEC Sondermaschinenbau & Kunststoffverarbeitung GmbH durchgeführt. Das Teilvorhabens beschäftigt sich mit der Erforschung und Erprobung kostengünstig herstellbarer Elektrodenapplikationen hoher Effizienz im eigenentwickelten Druckelektrolyseur. Die Elektroden eines alkalischen Elektrolyseurs sind entscheidend für den Wirkungsgrad des Systems und stellen gleichzeitig, nicht zuletzt wegen aufwendiger galvanischer Beschichtungsmethoden, einen Hauptkostenfaktor dar. Im Rahmen dieses Vorhabens soll zu Möglichkeiten geforscht werden, die aktiven Schichten in vergleichsweise kostengünstigen, automatisierbaren Prozessen herzustellen und durch wiederum später automatisierbare Technologien kostengünstig auf die zu erforschenden Trägerelektroden zu applizieren. Kumatec wird dazu zunächst in einer Markrecherche verfügbare Kathodenbeschichtungsverfahren eruieren und bewerten. Im Weiteren wird Kumatec die Projektpartner bei der Identifikation und Auswahl zielführender Fertigungstechnologien unterstützen. Nach Definition eines Benchmarksystems inklusive der Testprotokolle und Betriebsparameter erfolgt die Festlegung von technischen und ökonomischen Zielgrößen für die zu erforschenden neuen Elektrodenstrukturen in Form eines Lastenheftes. Anschließend folgt die Entwicklung der Trägerelektroden für die unterschiedlichen Skalierungsschritte, auf die die zu erforschenden Elektrodenstrukturen appliziert werden sollen. Den Lösungsansatz stellt hier die spätere Automatisierbarkeit der zu erforschenden Verbindungstechnologie und das Erreichen eines besseren Wirkungsgrades im Vergleich zum Benchmarksystem dar. Nach der Integration der entwickelten Einzelelektroden in die entsprechenden Laborprüfstände erfolgt die Test- und Analysephase. Anschließend erfolgt die konstruktive Anpassung des Elektrodendesigns an das Serienkonzept von Kumatec. Auf Basis der festgelegten Betriebsparameter erfolgt abschließend der Testbetrieb in den bestehenden 100bar Elektrolysestacks und eine finale Kostenbetrachtung.
Das Projekt "Teilprojekt 1: Entwicklung von leistungsoptimierten und kostengünstige Elektrodenstrukturen für die alkalische Elektrolyse durch Rolle zu Rolle - Beschichtungsverfahren" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Forschungszentrum Jülich GmbH, Institut für Energie- und Klimaforschung (IEK), IEK-14: Elektrochemische Verfahrenstechnik durchgeführt. Für die Erzeugung grünen Wasserstoffs aus regenerativen Energiequellen mit Hilfe der Elektrolyse existieren verschiedene Verfahren. Zu den bereits kommerziellen Systemen zählen dabei die alkalische- und die PEM- Elektrolyse. Für eine flexible und kostengünstige Wasserstofferzeugung mit schnellen und häufigen Lastwechseln im Bereich der regenerativen Energieerzeugung gibt es jedoch noch für beide Technologien weiteren Entwicklungsbedarf. Im Rahmen des Verbundprojektes soll die Reduktion der Investitionskosten der alkalischen Elektrolyse im Quadratmetermaßstab von derzeit 1000 €/kW auf zukünftig 700 €/kW durch Leistungsoptimierung der Elektroden sowie Kostendreduktion der Herstellungsverfahren realisiert werden. In enger Zusammenarbeit mit den Verbundpartnern soll die Leistungssteigerung der Elektroden für die Alkalische Elektrolyse durch neue Materialkombinationen und Modifikationen der Elektrodenstruktur erfolgen. Zur Kostensenkung ist die Entwicklung eines kontinuierlichen Beschichtungsverfahrens für die ausgewählten Materialien notwendig. Leistungsoptimierte und kostengünstige Elektroden werden gezielt für den Einsatz in Elektrolyseuren mit großen aktiven Flächen in Zusammenarbeit mit den zukünftigen Anwendern entwickelt. Ein Benchmark von kommerziell erhältlichen Materialien soll die Potenziale des neuen Beschichtungsverfahrens hinsichtlich Verarbeitbarkeit, Funktionalität und Kostenreduktion aufzeigen. Eine weitere Kostenreduzierung kann durch ein 'Scale-up' der Beschichtungstechnik in den Quadratmetermaßstab erreicht werden. Die beteiligten Anlagenbauer und Stack Hersteller werden die neuen Elektrodenstrukturen im Realbetrieb charakterisieren.
Das Projekt "Teilvorhaben: Entwicklung der Prozesskammer für die Herstellung laserprozessierten Elektrolyseurelektroden" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Miopas GmbH durchgeführt. Im hier vorgeschlagenen F/E-Verbundvorhaben sollen neuartige Elektrodenmaterialen für die alkalische Elektrolyse von Wasser entwickelt und erprobt werden, die gegenüber herkömmlichen Materialien bei deutlich höheren Stromdichten (bis 10 kA/m2) und signifikanten Lastschwankungen (fluktuierender Betrieb im Zusammenhang mit erneuerbaren Primärenergiequellen), aber dennoch hoher Effizienz (80%) und Langlebigkeit (90.000 h) betrieben und zu niedrigen spezifischen Kosten hergestellt werden können. Dieses Ziel soll durch eine innovative Laserstrukturierung von elektrokatalytischen Metalloberflächen erreicht werden, welche zu einer hohen katalytischen Aktivität für die Wasserstoff- bzw. Sauerstoffentwicklung führt. Darüber hinaus profitieren diese laserstrukturierten Materialien von einer extrem hohen mechanischen Belastbarkeit und damit verbundenen Langzeitstabilität (geringere Degradation). Die Durchführung des F/E-Verbundvorhabens wird in zehn Arbeitspakete (AP) unterteilt, um die wissenschaftlich-technischen Ziele zu erreichen. Diese sind die systemtechnische Analyse (AP1), die Elektrodenentwicklung (AP2), die Elektrodencharakterisierung (AP3), eine Aufskalierung des Hochleistungslaserprozesses (AP4), der Prozesskammerbau (AP5), eine Integration der prototypischen Laserprozessierungsanlage (AP6), Elektrodenprototyp & Prozessstabilität (AP7), der Aufbau des Elektrolyseurs & Testbetrieb (AP8), eine wirtschaftlich-technischen Bewertung (AP9) und Projektmanagement (AP10).
Das Projekt "Teilprojekt: In-operando-Charakterisierung Gasentwicklung und Zweiphasenströmung" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Technische Universität Berlin, Institut für Werkstoffwissenschaften und -technologien, Fachgebiet Struktur und Eigenschaften von Materialien durchgeführt. Das F/E-Verbundvorhaben zielt auf das innovative Konzept, die Effizienz und Leistungsdichte (Raum-Zeit-Ausbeute) der alkalischen Elektrolyse durch ein gezieltes Gasblasenmanagement mittels neuartiger poröser dreidimensionaler Elektrodenmaterialien zu erhöhen. Speziell soll die effektive Stromdichte unter Berücksichtigung niedriger Überspannungen deutlich erhöht werden, indem der störende Einfluss der entstehenden Gase durch die poröse 3D-Elektrodenstruktur reduziert wird. Das Projekt AEL3D untergliedert sich in folgende Projektschritte: 1. die Einbringung elektrochemisch aktiver Katalysatormaterialien in ein poröses dreidimensionales metallisches Gerüst (Schaummatte oder Vlies) auf Eisen oder Nickelbasis und deren elektrochemische und strukturelle Charakterisierung, 2. erstmalige Untersuchungen einer Zweiphasenströmung (Gasblasen-Elektrolyt-Gemisch) durch eine solche rigide poröse 3D-Struktur mittels CFD-Simulationen und In-operando-Experimenten (Videosonde, Radiographie, Tomographie) sowie daraus abgeleitete Auslegungsvorschriften zum Zelldesign, 3. die Testung der neuartigen Elektrodenmaterialien und -strukturen in einem zweistufigen Prozess in einer 30bar-Einzelzelle sowie in einem alkalischen 60bar-Testelektrolyseur unter realen Betriebsbedingungen bei einer Elektrodenfläche von ca. 0,56 m2 sowie 4. die technisch-ökonomische Bewertung des neuen Elektrodenmaterials hinsichtlich seiner Tauglichkeit für den großtechnischen Einsatz.
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