Entwicklung eines CFD-Modells für PEM-Elektrolyse in OpenFOAM


Wasserstoff ist eine der Schlüsseltechnologien für eine klimaneutrale Wirtschaft: Eine Energieversorgung aus erneuerbaren Quellen, wie beispielsweise aus Windenergie, unterliegt typischerweise starken Leistungsschwankungen und steht in der Regel an Orten, wo große Mengen an Energie benötigt werden, nicht in ausreichendem Maße zur Verfügung. Durch die Herstellung von Wasserstoff aus Wasser mit Hilfe elektrischer Energie kann überschüssige Energie gespeichert, transportiert und unmittelbar an ihrem Verwendungsort wieder nutzbar gemacht werden. 

In diesem Kontext sind in dem Wasserstoff-Leitprojekt des BMBF, H2Giga, mehrere Projekte mit dem Ziel der kostengünstigen Serienproduktion von effizienten Elektrolyseuren zusammengefasst. Berücksichtigt werden die Elektrolyse-Technologien PEMEL (Proton Exchange Membrane Electrolysis), AEL (Alkaline Electrolysis) und SOEL (Solid Oxide Electrolysis) sowie forschungsseitig AEMEL (Anion Exchange Membrane Electrolysis).

Im Rahmen des H2Giga-Teilprojekts „StacIE – Stack Scale-up – Industrialisierung PEM Elektrolyse“ wird ein auf OpenFOAM basierendes Simulationstool zur Unterstützung der bei den Projektpartnern stattfindenden Produktentwicklungsprozesse für PEMEL entwickelt. Dieser soll insbesondere in der Lage sein, das komplexe Zusammenspiel der (elektro-) chemischen Reaktionen am Katalysator und der dadurch entstehenden Mehrphasenströmung in den porösen Schichten der Elektrolysezelle zu modellieren: Das effektive Management von Sauerstoffblasen spielt für die Effizienz der Geräte eine entscheidende Rolle. 

Durch die Vielzahl an verfügbaren Modellierungsansätzen sowohl für physikalisch-chemische Mechanismen als auch deren Kopplung wird für das Simulationstool ein modulares, möglichst flexibel anpassbares Konzept verwendet. Dadurch soll ermöglich werden, unter Verwendung verschiedener numerischer Methoden Simulationen über mehrere Längenskalen hinweg mit entsprechendem Detailierungsgrad durchzuführen. So können beispielsweise grenzflächenauflösende Methoden zur Beschreibung der Mehrphasenströmung in den porösen Transportschichten verwendet werden, während auf Zell- oder Stack-Ebene Mischungsmodelle zum Einsatz kommen.