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- Was ist Elektrolyse-Testing und warum ist es für die Wasserstoffproduktion wichtig?
- Werden die verschiedenen Elektrolyseurtypen (Alkaline, PEM und SOEC) unterschiedlich getestet?
- Was ist der Unterschied zwischen Einzelzell-/Stack-Testing und Komplettsystem-Testing bei Elektrolyseuren?
- Welche wichtigen Parameter werden beim Elektrolyseur-Testing gemessen?
- Welche Geräte und Instrumente werden für Wasserstoff-Elektrolyse-Tests eingesetzt?
- Welche Industriestandards und Zertifizierungen gelten für Elektrolyseur-Testing?
- Welche häufigen Herausforderungen werden beim Elektrolyseur-Testing festgestellt?
Was ist Elektrolyse-Testing und warum ist es für die Wasserstoffproduktion wichtig?
Elektrolyse ist die Schlüsseltechnologie zur Herstellung von grünem, klimaneutralem Wasserstoff. Elektrolysetesting bedeutet die systematische Prüfung von Stacks, Zellen und Komponenten bis zum Komplettsystem unter definierten Betriebsbedingungen. Ziel ist es, Leistungsfähigkeit, Effizienz, Betriebsbereich, Dynamik, Sicherheit und Alterung reproduzierbar zu bewerten.
Für einen erfolgreichen Markthochlauf ist das entscheidend, weil Elektrolyseure zunehmend flexibel mit fluktuierendem erneuerbarem Strom betrieben werden und gleichzeitig eine hohe Verfügbarkeit und Lebensdauer erreichen müssen.
Die Validierung kann von der Materialprüfung über Elektroden- und Einzelzelltests bis zu Short- und Full-Stack-Tests im Megawatt-Maßstab reichen. Automatisierte Lastprofile und ein 24/7-Betrieb ermöglichen realitätsnahe Dauer- und Dynamiktests.
So lassen sich Schwachstellen früh erkennen, Designs optimieren und Entwicklungen vom Labor bis zur Marktreife absichern. Eine besondere Rolle spielen in diesem Zusammenhang beschleunigte Alterungstests, auch um Entwicklungszyklen zu verkürzen und so den Markthochlauf zu beschleunigen. Zudem schaffen unabhängige Testergebnisse Vertrauen und sind damit die Basis für die Finanzierbarkeit und damit Realisierbarkeit des Wasserstoffausbaus.
Werden die verschiedenen Elektrolyseurtypen (Alkaline, PEM und SOEC) unterschiedlich getestet?
Ja. Die grundlegenden Kenngrößen sind vergleichbar, die Prüfbedingungen unterscheiden sich jedoch technologiespezifisch.
Die Alkalische Elektrolyse (AEL) arbeitet mit flüssigem alkalischem Elektrolyten und stellt besondere Anforderungen an das Elektrolytmanagement und die Gasreinheit. Die PEMEL-Elektrolyse nutzt eine protonenleitende Membran und wird typischerweise bei höheren Stromdichten und mit hoher Dynamik betrieben.
Die AEM-Elektrolyse (AEMEL) verbindet den Einsatz von Membrantechnologie mit alkalischen Bedingungen. Die SOEL arbeitet dagegen mit Wasserdampf bei hohen Temperaturen und erfordert entsprechend andere Prüfstände und thermische Testprotokolle.
Die Niedertemperaturtechnologien AEL, AEMEL und PEMEL können mit jeweils dafür optimierten Prüfständen unter realen Betriebsbedingungen untersucht werden.
Was ist der Unterschied zwischen Einzelzell-/Stack-Testing und Komplettsystem-Testing bei Elektrolyseuren?
Einzelzelltests dienen vor allem dazu, Materialien und Komponenten wie Elektroden, Membranen oder Separatoren unter präzisen kontrollierten und wiederholbaren Bedingungen zu charakterisieren. Dabei lassen sich elektrochemische Effekte mit Methoden wie Polarisationskurven, EIS, CV oder LSV gezielt untersuchen.
Stacktests übertragen diese Fragestellungen auf mehrere Zellen im technischen Maßstab und zeigen zusätzlich Einflüsse von Zellgleichmäßigkeit, Kontaktierung, Medienverteilung, Temperaturführung und Skalierung.
Beim Testen von Komplettsystemen wird das komplette Elektrolysesystem einschließlich Balance-of-Plant betrachtet, z. B. Wasseraufbereitung, Pumpen, Gasabscheidung, Kühlung, Leistungselektronik und Regelung.
Ein Schwerpunkt liegt dabei häufig auf dem Stack- und Komponententesting und insbesondere der Brücke von der Einzelzelle bis zum Short- und Full-Stack-Test im industriell relevanten Maßstab.
Welche wichtigen Parameter werden beim Elektrolyseur-Testing gemessen?
Beim Stacktesting geht es vor allem um eine Bewertung der Effizienz, Gasqualität und des Degradationsverhaltens. Zentrale Messgrößen sind Zell- und Stackspannung, Stromdichte, Temperatur, Druck, Durchfluss sowie die erzeugte Wasserstoffmenge.
Daraus werden Kennwerte wie Polarisationskurve, Wirkungsgrad und spezifischer Energieverbrauch abgeleitet. Hinzu kommen Gasqualität und Gas-Crossover, da sie sowohl Effizienz als auch Sicherheit beeinflussen.
Im Labormaßstab werden zudem elektrochemische Diagnoseverfahren wie EIS, CV und LSV eingesetzt, um beispielsweise ohmsche, kinetische oder Stofftransportverluste zu untersuchen.
In Langzeit- und Dynamiktests werden außerdem Degradationsraten, Start-Stopp-Verhalten und die Reaktion auf wechselnde Lastprofile untersucht. Solche Messungen können von der Einzelzelle bis zu Stacks im Multi-MW-Maßstab sowie bei hohen Drücken und Strömen durchgeführt werden.
Welche Geräte und Instrumente werden für Wasserstoff-Elektrolyse-Tests eingesetzt?
Zunächst sind sehr spezifische und aufwändige infrastrukturelle Einrichtungen erforderlich wie z. B. sehr starke Stromanschlüsse, spezielle Gebäudegaswarntechnik und Einrichtungen zur Verwertung des produzierten Wasserstoffs.
Ein Elektrolyseprüfstand kombiniert dann elektrische Versorgung, Medienversorgung, Mess- und Sicherheitstechnik sowie eine automatisierte Datenerfassung und -auswertung.
Benötigt werden leistungsfähige Gleichrichter, Spannungs- und Strommessung, Temperatur-, Druck- und Durchflusssensorik sowie Systeme zur Wasser- bzw. Elektrolytversorgung, Kühlung und Gasführung. Die Gasanalytik dient unter anderem zur Bestimmung von Reinheit und Crossover.
Für detaillierte elektrochemische Untersuchungen kommen Potentiostaten und Impedanzspektroskopie zum Einsatz; hilfreich ist auch eine begleitende Materialanalytik wie SEM und EDX.
Je nach Testeinrichtung können mehrere Prüfstände sowie ein umfangreicher Pool an begleitenden Materialanalyseverfahren zur Verfügung stehen. Messdaten können von Testkunden in Echtzeit online verfolgt werden.
Welche Industriestandards und Zertifizierungen gelten für Elektrolyseur-Testing?
Für Elektrolyseure sind insbesondere internationale Normen und harmonisierte Prüfverfahren relevant. Für die vergleichbare Bewertung von Leistung und Alterung existieren EU-harmonisierte JRC-Testprotokolle, z. B. für Polarisationskurven, EIS, Energieperformance sowie beschleunigte Stress- und Degradationstests.
Welche Normen und Zertifizierungen konkret anzuwenden sind, hängt von Technologie, Systemgrenze, Druckniveau und späterem Einsatzort ab.
Für die Entwicklung ist deshalb neben der formalen Normkonformität eine reproduzierbare, dokumentierte Testmethodik wichtig, die Betriebsbedingungen und Messunsicherheiten eindeutig definiert.
Welche häufigen Herausforderungen werden beim Elektrolyseur-Testing festgestellt?
Häufige Herausforderungen zeigen sich erst unter realistischen Betriebsbedingungen: ungleichmäßige Stromdichte-, Temperatur- oder Medienverteilung im Stack, steigende Zellspannungen durch Degradation, Gas-Crossover, Leckagen, Kontakt- und Dichtungsprobleme oder Einschränkungen bei Teillast und schnellen Lastwechseln.
Hinzu kommen Wechselwirkungen zwischen Komponenten, die im Einzelzelltest noch nicht sichtbar sind. Bei dynamischem Betrieb mit erneuerbarem Strom sind Start-Stopp-Zyklen, schnelle Laständerungen und lange Betriebszeiten besonders relevant.
Eine wesentliche Herausforderung ist die Übertragbarkeit von Laborergebnissen auf größere Stacks. Deshalb werden Tests auf unterschiedlichen Skalierungsebenen mit elektrochemischer Diagnostik und Materialanalysen kombiniert, um Ursachen von Auffälligkeiten gezielt zu identifizieren.
Beitrag des Zentrums für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW)
Als eines der führenden unabhängigen Wasserstoffforschungsinstitute in Europa hat sich das ZSW die anwendungsorientierte Forschung und Entwicklung sowie den Technologietransfer in die Industrie zum Ziel gesetzt, um die Markteinführung neuer Energietechnologien zu unterstützen. Mit jahrzehntelanger Expertise in den Bereichen Elektrolyse – einschließlich AWE, AEM und PEM – sowie in der Entwicklung, Erprobung und Fertigung von PEM-Brennstoffzellen bieten wir Prüf- und Beratungsdienstleistungen, kooperative Forschung und Entwicklung sowie unsere eigenen Technologien und unser geistiges Eigentum für die Produktentwicklung an. ZSW: 38 Jahre Forschung, Entwicklung und Technologietransfer.
