Transatlantische Forschungsallianz für nachhaltige Wasserstofftechnologien

In den letzten 54 Jahren konnten im Rahmen der wissenschaftlich-technologischen Zusammenarbeit zwischen Deutschland und Kanada zahlreiche erfolgreiche Kooperationen etabliert werden. Forschende vom Zentrum für Energietechnik (ZET) der Universität Bayreuth leben diese internationale Zusammenarbeit im deutsch-kanadischen Verbundprojekt HYER, das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert wird. Dabei steht das Thema grüner Wasserstoff im Fokus. Zusammen mit den kanadischen Partnern Pulsenics, Inc., University of Victoria, National Research Council Canada und Université du Québec à Trois-Rivières sowie dem deutschen Industriepartner SEGULA Technologies GmbH wird an neuartigen Modellen zur Steigerung der Effizienz von Elektrolyseanlagen geforscht.

Kosteneffiziente Produktion von grünem Wasserstoff

Zur Produktion von Wasserstoff mit Strom aus erneuerbaren Energiequellen wie Wind und Sonne werden häufig Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM)-Elektrolyseanlagen eingesetzt. Diese können sehr dynamisch betrieben werden und sind deshalb ideal für einen Betrieb mit Photovoltaik- und Windenergieanlagen geeignet. Jedoch kann diese dynamische Betriebsweise zur beschleunigten Alterung der Elektrolysezellen, die zusammengebaut in Elektrolyse-Stacks Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegen, führen. Dies hat eine Verringerung des Wirkungsgrads und der Lebensdauer zur Folge. Letztlich muss immer mehr Energie zur Produktion der gleichen Menge Wasserstoff aufgewendet werden und die Stacks müssen früher und häufiger während der Nutzungsdauer der Gesamtanlage ausgetauscht werden. Ein Hauptziel des Projekts HYER ist deshalb die Entwicklung von Modellen zur Vorhersage der Alterung von Elektrolysezellen in Abhängigkeit der Betriebsweise. Diese Modelle können dann zur Optimierung der Betriebsstrategie für eine möglichst kosteneffiziente Produktion von Wasserstoff eingesetzt werden. In einer kürzlich im International Journal of Hydrogen Energy veröffentlichten Studie konnten Forschende des ZET das Einsparpotenzial einer solchen Optimierung unter Verwendung eines einfachen Alterungsmodells bereits aufzeigen.

Im Projekt HYER werden neuartige Alterungsmodelle mit Machine Learning (ML)-Methoden entwickelt, die es ermöglichen sollen, die Leistung und Lebensdauer in Abhängigkeit der Betriebsweise genauer vorherzusagen und so die Kosten für die Produktion von grünem Wasserstoff weiter zu senken. Petros Polykarpoulos, Wissenschaftlicher Mitarbeiter am ZET und Projektmitarbeiter, hat dazu zunächst den dynamischen Betrieb für verschieden Betriebsszenarien, beispielsweise einer direkten Kopplung zwischen Windenergie- und Elektrolyseanalage, simuliert und analysiert. Basierend darauf arbeitet er zurzeit zusammen mit den Projektpartnern an der Entwicklung von Testprotokollen, die eine beschleunigte Alterung von Stacks im Prüfstand ermöglichen sollen, um damit die für die laufende Modellentwicklung erforderlichen Betriebsdaten zu sammeln.

Ausbau der Kooperation mit Kanada

Doch wie kam es zu dem Deutsch-Kanadischen Verbundprojekt HYER? Dazu hat Dr.-Ing. Matthias Welzl, Akademischer Rat am Zentrum für Energietechnik und deutscher Verbundkoordinator, bei einem Vortrag am Research and Innovation in Canada InfoDay der Bayerischen Forschungsallianz in München im Dezember 2023 einen Einblick gegeben: „Nachdem der gemeinsame Förderaufruf des BMBF und des National Research Council Canada (NRC) für deutsch-kanadische Kooperationsprojekte zum Thema Grüner Wasserstoff veröffentlicht wurde, fand im November 2021 ein gemeinsam organisiertes Information and Partnering Event statt. Ich nutzte die Gelegenheit, dort die Wasserstoffforschung der Universität Bayreuth und unsere Projektinteressen vorzustellen. Bei den anschließenden virtuellen ,Matchmaking Meetings‘, traf ich Mariam Awara vom kanadischen Start-up Pulsenics. Wir haben schnell gemerkt, dass sich unsere Interessen sehr gut ergänzen und die Idee für das Projekt HYER war geboren. Nachdem wir die weiteren Partner gefunden, die Idee in zahlreichen Meetings zum Projekt ausgearbeitet und die Phasen der Antragstellung erfolgreich durchlaufen hatten, startete das Projekt HYER im November 2022.“

„Ein besonderes Highlight war auch der Besuch der Vertretung des Freistaats Bayern in Montréal. Die bestehende Kooperation zwischen Bayern und Québec fördert den wissenschaftlichen Austausch mit Kanada zusätzlich“. Durch eine Förderung des Freistaats Bayern im Rahmen des Mobilitätsprogramms „Regional Leaders Summit (RLS)-Sciences/Bayern-Québec“ konnte Dr. Welzl an der RLS-Sciences Konferenz im September 2024 in Québec und dem anschließenden bilateralen Programm Bayern-Québec teilnehmen. Neben der Vorstellung des HYER-Projekts, durfte er dort zur „Conference on the intersectorality of research teams and links with the industry: Québec examples and international comparisons of partner regions” beitragen. Er ging zunächst anhand der Präsentation „ZET Future Energy Lab Wunsiedel – From a research project to a novel research institute” auf die Entwicklung ausgehend von einem Forschungsprojekt der Universität Bayreuth hin zu einer neu gegründeten Forschungseinrichtung als Beispiel für interdisziplinäre Forschung und Kooperation mit Industriepartnern und kommunalen Akteuren ein. In der anschließenden Podiumsdiskussion erfolgte ein intensiver Austausch über Erfahrungen in der Zusammenarbeit zwischen Hochschulen und Industrie, intersektorale Zusammenarbeit sowie über Möglichkeiten, diese Formen der Zusammenarbeit auszubauen.

Auch die kanadischen Partner hatten bei dem zweiten HYER-Projekttreffen im Mai 2024 bereits Gelegenheit, die Wasserstoffforschung an der Universität Bayreuth vor Ort kennenzulernen. Neben den Projektbesprechungen wurde bei einer Führung im Energiepark Wunsiedel auf die Fortschritte im Forschungsprojekt „ZET-Reallabor Energiezukunft Wunsiedel“ eingegangen. In einem gemeinsamen Workshop mit Projektpartnern des Victorian Hydrogen Hub (VH2) der Swinburne University of Technology in Melbourne wurde das Thema Wasserstoff global, von Kanada über Bayreuth bis nach Australien, diskutiert.

Dr. Welzl nennt seine Ziele in den nächsten Monaten: „Die Kooperation soll weiter ausgebaut werden. Deswegen freue ich mich schon sehr auf die große kanadische Delegation, die uns im Rahmen des Projekts „Transatlantic Dialogue - Exchange of Canadian and German Regions to Establish and Expand Hydrogen Hubs“ der Deutsch-Kanadischen Industrie- und Handelskammer (AHK Kanada) Ende März besuchen wird. Außerdem steht unser nächstes HYER-Projekttreffen im Mai in Mississauga und Montréal an. Dort möchten wir auch beim 247th ECS Meeting unsere neuesten Ergebnisse aus dem HYER-Projekt zusammen mit unseren Partnern von der University of Victoria vorstellen.“