Fritsch, F. (2022). Design and testing of a membrane-based electrochemical hydrogen compressor [Diploma Thesis, Technische Universität Wien]. reposiTUm. https://doi.org/10.34726/hss.2022.105364
Wasserstoff (H2), das leichteste aller Gase, sorgt oft für schwere Diskussionen und gespaltene Meinungen. Während uns die Auswirkungen des Klimawandels von Jahr zu Jahr drastischer vor Augen geführt werden, existiert immer noch kein klarer, weltweit einheitlicher und konsistent durchgeführter Plan, um unsere starke Abhängigkeit von fossilen Energieträgern in absehbarer Zukunft auf Null zu reduzieren. Ohne einen drastischen Ausbau der Produktionskapazitäten erneuerbarer Energien wird dieses Ziel nicht erreichbar sein. Mit diesem Ausbau kommen etliche technische, aber auch nicht technische Hürden einher. Die zeitlich teilweise stark schwankenden Produktionsraten einiger erneuerbarer Energieproduktionsmethoden ist eine dieser Hürden. Der öffentliche Diskurs ist, teilweise zurecht und teilweise aufgrund von unrealistischen Vorstellungen, sehr stark auf Elektrifizierung fokussiert. Direkte Nutzung elektrischer Energie ist, wo möglich und sinnvoll, aufgrund der unvermeidbaren Umwandlungsverluste natürlich zu präferieren. Es gibt allerdings eine Reihe treibhausgasintensiver Prozesse, welche sich auf absehbare Zeit nicht direkt elektrisch betreiben lassen werden können. Auch diese Prozesse müssen, um die zum Beispiel bei der Pariser Klimakonferenz 2015 gesetzten Klimaziele zu erreichen, “endkarbonisiert" werden. Bevor bei Überproduktion erneuerbarer Energie diese gar nicht genutzt wird, ist es sinnvoll, diese elektrische Energie in chemische Energie umzuwandeln. Möglich ist dies zum Beispiel durch Wasserstoffproduktion mittels Elektrolyse. Der so produzierte H2 wird allerdings nicht zwangsweise an dem Ort produziert, an welchem es auch benötigt wird. Eine Möglichkeit, H2 ohne große Investitionen in neue Infrastruktur zu transportieren, ist das bestehende Erdgasnetz. H2 wird hierbei gemeinsam mit dem bereits transportierten Erdgas im Erdgasnetz verteilt. Somit kann das bestehende Erdgasnetz einen sehr großen Speicher für erneuerbare Energie bereitstellen. Für Verbraucher, welche hochreinen H2 benötigen, bleibt allerdings die Herausforderung bestehen, diesen ohne großen Aufwand wieder aus dem Erdgas abzutrennen. Eine mögliche Lösung dafür ist der elektrochemischer Wasserstoffkompressor (EHC). Elektrochemische Wasserstoffkompression ist ein elektrochemisches Verfahren, bei dem eine ionenleitende Membran verwendet wird, um H2 durch Zerlegung in Protonen und Anlegen einer externen Spannung hochselektiv von einer Seite der Membran auf die andere zu transportieren. Dieses Verfahren funktioniert auch gegen einen Konzentrations- oder Druckgradienten. Es ist daher mittels EHC möglich, H2 in einem Schritt aus einem Quellstrom mit geringer Wasserstoffkonzentration abzutrennen und ihn mit höherem Druck und höherer Reinheit wieder abzugeben. Aufgabe für diese Diplomarbeit war es, eine Versuchsanlage im Labormaßstab zu bauen, welche Tests jenes Verfahrens mit unterschiedlichen Betriebsparametern erlaubt. Es wurde eine Versuchsanlage entworfen, welche ein thermostatisiertes Bad, eine Gasbefeuchtungseinheit, eine Gastrocknungseinheit, Stromversorung und Messtechnik enthält, um verschiedene Betriebsbedingungen eines EHC experimentell untersuchen zu können. Zum Abschluss der Arbeit wurden alle Komponenten der Versuchsanlage durch eine Reihe von Experimenten auf Funktion überprüft. H2 konnte mittels der Versuchsanlage erfolgreich in einem Schritt aus einem Gasgemisch 4% H2 entfernt, auf 5 bar Überdruck komprimiert und auf nahezu 100 % Reinheit angereichert werden. Die Machbarkeit elektrochemischer Wasserstoffkompression konnte somit erfolgreich demonstriert werden. Mit weitere Forschung könnte sich diese als wichtige Technologie beim Übergang in eine Zukunft erneuerbarer Energien erweisen. Die ersten Experimente zeigten jedoch auch, dass es noch viel Raum für Verbesserungen gibt und dass weitere Experimente notwendig sind, um diesen Laboraufbau vollständig zu charakterisieren.
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Hydrogen, the lightest of all gases, often inspires heavy debates and a slew of dissenting opinions. Whether or not it will be widely used as a low carbon energy storage material in the future can only be speculated about at the present time. As the impacts of climate change become increasingly evident every year, there is still no clear, globally unified, and consistently implemented plan to reduce our heavy reliance on fossil fuels in the foreseeable future. Without a drastic expansion of the production capacities of renewable energies, this goal will not be achievable. This expansion comes with a number of technical, but also non-technical hurdles. The strongly-fluctuating production rates of some renewable energy production methods is one of these hurdles. The public discourse is very much focused on electrification which is partly well-grounded, but, on the other hand, driven by unrealistic expectations. Direct use of electrical energy is, where possible and sensible, to be preferred due to the unavoidable conversion losses. However, there are a number of greenhouse gas-intensive processes that, in the foreseeable future, cannot be operated using electric energy. In order to achieve the climate targets set at the Paris Accords in 2015, for example, these processes must also be “decarbonised”. Before the energy produced during times of overproduction of renewable energy is not used at all, it makes sense to convert it into chemical energy. This is possible, for example, by using electrolysis to produce hydrogen. However, the hydrogen produced in this way is not necessarily produced at the location where it is needed. One way of transporting this hydrogen without major investments is the existing natural gas network. Hydrogen is distributed in the natural gas network together with natural gas. The existing natural gas network can thus provide a very large storage facility for renewable energy. However, consumers who need high-purity hydrogen still face the challenge of re-separating this hydrogen, without major effort, from the natural gas mixture. A potential solution is the electrochemical hydrogen compressor. Electrochemical hydrogen compression is an electrochemical process in which an ion-conducting membrane is used to transport hydrogen highly selectively from one side of the membrane to the other, by decomposition into protons and application of an external voltage. This method also works against a concentration or pressure gradient. It is therefore possible, using electrochemical hydrogen compression, to separate hydrogen from a source stream with a low hydrogen concentration in one step, and release it again at higher pressure and higher purity. The task for this diploma thesis was to design, build and test a laboratory scale electrochemical hydrogen compression unit which allows tests of the process with different operating parameters. A unit was designed containing a thermostated bath, a gas humidification unit, a gas drying unit, power supplies and measurement equipment in order to experimentally investigate different operating conditions of an electrochemical hydrogen compressor. At the end of the work, all components of the unit were checked for function in a series of experiments. During these one-step experiments, hydrogen was successfully removed from a gas mixture containing only 4 % hydrogen and compressed to 5 bar over-pressure, reaching a purity in the final product of almost 100 %. These experiments successfully demonstrated the feasibility of electrochemical hydrogen compression. With more research, it might prove to be an important puzzle piece in the transition towards a future of exclusively using renewable energy. The first experiments, however, also revealed that there is plenty of room for improvement, and that more experiments have to be carried out to fully characterise this laboratory setup.