Details

Einführung
Schlüsselfertige PEM-Elektrolyse + Feststoff-Wasserstoffspeicherung + Brennstoffzellen- Stromerzeugung (Laborschrank / Skid)

Wasserstoff wird erst dann zu einem praktikablen Energieträger, wenn er sicher erzeugt, verantwortungsvoll gespeichert und bei Bedarf wieder in stabile elektrische Energie umgewandelt werden kann. Das Hydrogen Power-to-Power (P2P) System ist eine kompakte, integrierte Plattform, die den vollständigen Wasserstoff-Energiekreislauf innerhalb eines einzigen technischen Gehäuses demonstriert:

Elektrizität → Wasserstoff (PEM-Elektrolyse) → Speicherung (Metallhydrid) → Elektrizität (PEM-Brennstoffzelle + Wechselrichter)

Entwickelt für Universitäten, Forschungsinstitute und industrielle F&E-Zentren, verhält sich dieses System wie reale Industrieausrüstung – nicht wie ein einfaches Demonstrationssystem. Es kombiniert automatisierte Abläufe, SCADA-fähige Überwachung und eine mehrstufige Sicherheitsarchitektur, sodass Labore reproduzierbare Experimente durchführen, aussagekräftige Daten aufzeichnen und bedarfsgerecht bereitstellbare Energie aus gespeichertem Wasserstoff demonstrieren können.

Systemübersicht
Kernfunktionen
• Bedarfsgerechte Wasserstofferzeugung mittels PEM-Elektrolyseur (Labormaßstab)
• Wasserstoffkonditionierung (Abscheidung, Trocknung, Filtrationskonzept) für sauberen Downstream-Betrieb
• Feststoff-Wasserstoffspeicherung in Metallhydrid-(MH)-Behältern mit aktivem Thermomanagement
• Stromerzeugung mittels PEM-Brennstoffzelle mit stabilem 230 VAC-Ausgang über eine Wechselrichterstufe
• Transientenstabilität durch integrierten Batteriespeicher (sanfte Lastwechsel, Startunterstützung, Überbrückung)
• Automatisierung + Sicherheitsverriegelungen mittels industrieller SPS-Logik
• Überwachung & Integration über standardisierte industrielle Kommunikationsschnittstellen (SCADA-ready)

Warum dieses System im Labor wertvoll ist
1) Vollständiger Wasserstoffkreislauf auf einer Plattform
Anstatt einzelne Komponenten getrennt zu testen, ermöglicht das P2P-System eine vollständige Zyklusbewertung: Wasserstofferzeugung, Konditionierung, Speicherverhalten und Rückumwandlung in nutzbare elektrische Energie – unter einem gemeinsamen Steuerungssystem und Datenmodell.

2) Feststoffspeicherung ist besser für Laborumgebungen geeignet
Metallhydridspeicherung wird in Forschungsumgebungen bevorzugt, da sie im Vergleich zu reinen Druckgasflaschen einen sichereren und besser kontrollierbaren Speicheransatz bietet und zugleich aussagekräftige Untersuchungen der Speicherkinetik ermöglicht.

3) Ausgelegt auf Reproduzierbarkeit und Forschungsdatenqualität
Das System basiert auf kontrollierten Betriebsabläufen, stabiler Sollwertregelung, Alarm-/Ereignishistorie und kontinuierlicher Überwachung, sodass Experimente wiederholt, verglichen und dokumentiert werden können.

Funktionsweise des Systems (Energiefluss)
1. Die PEM-Elektrolyse erzeugt Wasserstoff aus elektrischer Eingangsleistung und DM/DI-Wasser.
2. Der Wasserstoff wird (Abscheidung + Trocknung + Filtration) konditioniert, bevor er in die Speicherung gelangt.
3. Der Wasserstoff wird in Metallhydrid-Behältern gespeichert, wo er in das Speichermaterial absorbiert wird.
4. Bei Leistungsanforderung wird Wasserstoff aus der Speicherung einer PEM-Brennstoffzelle zugeführt.
5. Die Brennstoffzelle erzeugt Gleichstrom, der über die Wechselrichterstufe in stabilen 230 VAC-Ausgang umgewandelt wird.
6. Ein Batteriespeicher unterstützt transiente Lasten, stabilisiert den Ausgang und verbessert die dynamische Reaktion.

Detaillierte Subsysteme
1) DI-Wasserhandling & Qualitätsmanagement
Die PEM-Elektrolyse erfordert hochreines Wasser zum Schutz des Stacks und zur Sicherstellung einer konstanten Produktion. Das System umfasst eine dedizierte Wasseraufbereitung zur Unterstützung von:
• Praktischem Nachfüllen und Füllstandsüberwachung
• Kontrolliertem Zulauf- und Zirkulationsverhalten
• Wasserqualitätskonzept für den PEM-Betrieb
• Stabilen Elektrolyseurbedingungen bei langen Produktionskampagnen

Dieses Subsystem reduziert die Bedienerabhängigkeit und unterstützt langandauernde, reproduzierbare Wasserstofferzeugungstests.

2) Wasserstofferzeugungsmodul (PEM-Elektrolyseur)
Der PEM-Elektrolyseur wird über SPS-Sequenzen statt manueller Schritte gesteuert. Typische Funktionen umfassen:
• Startfreigaben und Sicherheitsprüfungen vor Produktionsfreigabe
• Automatisches Hochfahren und kontrollierter Betrieb
• Sauerstoffmanagement-/Entlüftungskonzept
• Führung des Wasserstoffs durch Konditionierungsstufen vor der Speicherung

Das Ergebnis ist eine stabile Wasserstofferzeugung mit strukturierten Alarmen, Verriegelungen und reproduzierbaren Betriebsbedingungen.

3) Wasserstoffkonditionierung (Abscheidung, Trocknung & Filtration)
Zuverlässiger Brennstoffzellenbetrieb erfordert sauberen, trockenen Wasserstoff. Das Konditionierungskonzept umfasst typischerweise:
• Gas-Flüssig-Abscheidung zur Entfernung mitgerissener Feuchtigkeit
• Wasserstofftrocknung zur Erreichung niedriger Restfeuchte
• Filtration zum Schutz von Ventilen, Reglern und Brennstoffzellenkomponenten
• Druck-/Temperaturmessstellen für nachvollziehbaren Betrieb

Dieser Abschnitt ist entscheidend für langfristige Systemzuverlässigkeit und konsistente Forschungsergebnisse.

4) Feststoff-Wasserstoffspeicherung (Metallhydrid-Modul)
Das System speichert Wasserstoff in Metallhydrid-Behältern und ermöglicht so ein sicheres, kontrolliertes Speicherverhalten sowie eine stabile Versorgung der Brennstoffzelle.

Aktives Thermomanagement (wesentliches Unterscheidungsmerkmal)
Das Be- und Entladen von Metallhydrid hängt stark von der Temperatur ab:
• Absorption setzt Wärme frei
• Desorption erfordert Wärmezufuhr

Das System beinhaltet ein aktives Thermomanagement (Heiz-/Kühlregelung), um:
• Das Ladeverhalten zu stabilisieren
• Eine vorhersehbare Wasserstoffverfügbarkeit bei Entladung sicherzustellen
• Speichercharakterisierungsexperimente zu ermöglichen (Temperatur vs. Kapazität vs. Durchflussverhalten)
Damit wird der Speicherblock zu einem kontrollierbaren Versuchsmodul anstelle eines passiven Tanks.

5) Stromerzeugung (PEM-Brennstoffzelle) + AC-Ausgangssystem
Das Brennstoffzellenmodul ist mit Leistungselektronik integriert, um nutzbaren, stabilen AC-Ausgang bereitzustellen:
• Automatisierte Start-/Stopp-Sequenzen der Brennstoffzelle
• Stabile DC-Erzeugung mit kontinuierlicher Überwachung
• Wechselrichterumwandlung auf 230 VAC
• Batteriespeicherung für Transienten und Überbrückung

Diese Architektur ermöglicht die Demonstration realer, bedarfsgerechter Energie aus gespeichertem Wasserstoff zur kontrollierten Versorgung von Laborlasten.

6) Steuerung, HMI, SCADA-Integration & Datenaufzeichnung
Das P2P-System ist als moderne automatisierte Testplattform konzipiert:
• Industrielle SPS-Steuerung mit Sicherheitsfreigaben und Fehlerbehandlung
• Touchscreen-HMI für Status, Trends, Alarme und Sollwerte
• Rollenbasierter Zugriff (Bediener/Techniker/Admin)
• Alarm-/Ereignishistorie und kontinuierliche Überwachung für Forschungstransparenz
• SCADA-fähige Kommunikation  (gängige Industrieprotokolle) zur Integration in das Anlagenmonitoring

Betriebsmodi
Standby-Modus
Das System bleibt eingeschaltet und betriebsbereit, überwacht kontinuierlich Sensoren und Freigaben, während Wasserstoffproduktion und Stromerzeugung bis zur Erfüllung der Aktivierungsbedingungen gesperrt bleiben.

Wasserstoffproduktionsmodus (Elektrolyse)
Nach erfolgreicher Sicherheitsfreigabe fährt der Elektrolyseur auf den Sollwert hoch, Wasserstoff wird erzeugt, konditioniert und die Speicherung unter geschlossener Regelung geladen.

Speichermanagementmodus
Lade- und Entladeverhalten werden mit Thermomanagement gesteuert und auf sichere Grenzwerte überwacht. Bei Überschreitung definierter Schwellenwerte erfolgt Alarmierung und sichere Abschaltung.

Stromerzeugungsmodus (Brennstoffzelle)
Die Brennstoffzelle wird sequenziert und stabilisiert, die Wasserstoffzufuhr aus dem Speicher geregelt und der Wechselrichter liefert stabilen 230 VAC-Ausgang. Der Batteriespeicher unterstützt schnelle Lastwechsel und sanfte Übergänge.

Notabschaltung (ESD)
Bei einem Sicherheitsereignis (z. B. Gasdetektion, kritischer Fehler oder Not-Halt) isoliert das System den Wasserstoff, stoppt Produktion/Erzeugung und erzwingt ein sicheres Verriegelungs-/Resetkonzept gemäß Wasserstoff-Sicherheitsengineering.

Sicherheitsphilosophie und nicht-ATEX-Belüftungskonzept (integriert)
Die Wasserstoffsicherheit ist als mehrschichtiges Schutzkonzept umgesetzt:
• Detektion (Wasserstoffsensoren nahe potenzieller Austrittspunkte)
• Verriegelungen & Freigaben (Betrieb nur bei sicheren Bedingungen)
• Isolations- & Abschaltlogik (automatischer sicherer Stopp bei Alarm)
• Belüftung & Absaugung (Verdünnung und Abführung möglicher Freisetzungen)

Belüftungsgrundlage für eine „ATEX-freie Zone“-Schrank-/Haubenphilosophie
Die Belüftungsstrategie ist so ausgelegt, dass sich der Schrank/die Haube während des zulässigen Wasserstoffbetriebs wie ein kontinuierlich gespülter und abgesaugter Raum verhält, wodurch die Bildung einer explosionsfähigen Atmosphäre im Gehäuseinneren minimiert wird. Dies wird praktisch erreicht durch:
• Aufrechterhaltung einer Zwangsabsaugung während des Wasserstoffbetriebs
• Verknüpfung der Wasserstoff-Freigaben mit dem Zustand der Belüftung
• Nutzung der Gasdetektion zur automatischen sicheren Abschaltung und verstärkten Abgasreaktion (standortabhängig)

Dies ist die technische Zielsetzung zur Aufrechterhaltung einer „ATEX-freien Zone“-Betriebsphilosophie für die Schrank-/Haubenumgebung, vorbehaltlich finaler Validierung und Gefahrenbereichsbewertung durch den Betreiber/Standortverantwortlichen.

Mechanisches Layout & externe Schnittstellen
Das System ist als kompakter Laborschrank/Skid mit klarem Servicezugang und definierten Anschlusspunkten zur Vereinfachung von Installation und Inbetriebnahme ausgeführt.
Typische externe Anschlusspunkte
• Netzeingang Stromversorgung
• Stromausgang
• Wasserstoff-Ausgangsanschluss
• DM/DI-Wassereingang (Nachfüllung)
• Thermische Wasseranschlüsse (Kalt-Eintritt / Heiß-Austritt) für den Speichertemperaturkreis
• Anschlüsse für Belüftung/Absaugung
• Bedienpanel: Touchscreen-HMI, Start/Stopp, Not-Aus-Taster

Technische Spezifikationen

  

    
Parameter
    
Spezifikation
  
  

    
Systemtyp
    
Schlüsselfertiges Hydrogen Power-to-Power (Elektrizität → H₂ → Elektrizität) Laborschrank/Skid
  
  

    
Wasserstofferzeugung
    
PEM-Elektrolyseur (luftgekühlt), automatisierte Sequenzsteuerung
  
  

    
Wasserstoff-Erzeugungsrate
    
Bis zu 1,0 Nm³/h
  
  

    
Elektrischer Eingang
    
230 VAC, 50/60 Hz (Endschutzgerät gemäß Konfiguration)
  
  

    
Wasserstoffkonditionierung
    
Abscheidung + Trocknung + Filtrationskonzept für sauberen Downstream-Betrieb
  
  

    
Wasserstoffspeichertyp
    
Metallhydrid (MH) Feststoffspeicherung
  
  

    
Wasserstoffspeicherkapazität
    
Bis zu 5 kg H₂ (abhängig von der Konfiguration)
  
  

    
Thermomanagement des Speichers
    
Aktive Heiz-/Kühlregelung zur Steuerung von Absorptions-/Desorptionsverhalten
  
  

    
Stromerzeugung
    
PEM-Brennstoffzelle (luftgekühlt) integriert mit Wechselrichterstufe
  
  

    
Brennstoffzellenleistung
    
5 kW-Klasse
  
  

    
AC-Ausgang
    
230 VAC über Wechselrichter, ~5 kW-Klasse Ausgang
  
  

    
Energiepufferung
    
~5 kWh Li-Ionen-Batteriepuffer für Transientenhandling / Überbrückung
  
  

    
Steuerung
    
Industrielle SPS + Touchscreen-HMI, Alarme, Freigaben, automatisierte Modi
  
  

    
SCADA / Kommunikation
    
Ethernet-Integration; SCADA-ready über gängige Industrieprotokolle
  
  

    
Sicherheitsfunktionen
    
Gasdetektion, ESD-Logik, Verriegelungen/Lockouts, Belüftungs-Freigabekonzept
  
  

    
Schrankausführung
    
Kompaktes Laborgehäuse mit definierten Serviceanschlüssen und Bedienerschnittstelle
  


Typische Anwendungen
• Universitäre Wasserstoff-Lehrlabore und Demonstrationsplattformen
• Studien zur Speicherung erneuerbarer Energien (Power-to-Gas / Gas-to-Power)
• Integration von Brennstoffzellensystemen und Bewertung des Wechselrichterverhaltens
• Metallhydrid-Charakterisierung (temperaturgeregelte Lade-/Entladeexperimente)
• Demonstrationen von Backup-/bedarfsgerechter Energie bei variierenden Lastprofilen
• Validierung von Sicherheitslogik (Ursache-Wirkung-Tests, Detektorreaktion, Abschaltstrategie)

Lieferumfang (typisch)
• Integrierter Schrank/Skid mit Wasserstofferzeugung, Konditionierung, Speicherung, Brennstoffzelle, Wechselrichter, Batteriepuffer und Steuerung
• Sicherheitseinrichtungen: Gasdetektion, Not-Aus, Abschaltlogik und verriegelte Freigaben
• Instrumentierungspaket zur Druck-/Temperatur-/Durchflussüberwachung gemäß Konfiguration
• Dokumentationspaket (Handbücher, Zeichnungen, Steuerungsbeschreibung)
• Unterstützung bei Inbetriebnahme und Bedienerschulung (projektabhängig)

Optionen & Upgrades
• Höhere Elektrolyseurkapazität / höherer Wasserstoffdurchsatz
• Erhöhte Speicherkapazität oder alternatives Speicherverfahren (projektabhängig)
• Erweiterte Instrumentierung (Taupunktmessung, zusätzliche Durchflussmesser, weitere Temperaturmessstellen)
• Erweiterte Datenexporte und Versuchsrezept-Verwaltung
• Außen-/Containerisierte Ausführung (standortabhängig)
• Erweiterte HVAC-/Hauben-Integrationsunterstützung je nach Laborabluft-Infrastruktur