GUNT-H2SKILLS
Green hydrogen: Zukunftskompetenz in der Ausbildung
Die Value Chain von Wasserstoff in der Industrie
Für die Produktion von grünem Wasserstoff wird aufbereitetes Wasser in einem Elektrolyseur mit Hilfe von erneuerbaren Energien in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. Die Wasserqualität wird dabei von den Vorgaben des Elektrolyseurs bestimmt.
Zum Schutz nachfolgender Prozesse wird der produzierte Wasserstoff zunächst aufbereitet. Darauf erfolgt der Transport zu Endverbrauchern. Zur Erhöhung der Energiedichte kann Wasserstoff mit Stickstoff in e‑Ammoniak transformiert werden.
Im Endverbrauch dienen Wasserstoff und die Derivate vor allem als Rohstoff in der Industrie, als Treibstoff für Transportvorgänge, zum Heizen und als Quelle zur Stromgewinnung.
Das GUNT-Geräteprogramm zur Entwicklung von H2SKILLS
Für die Wasserstoffproduktion zeigt GUNT drei Elektrolyseure, die verschiedene Maßstäbe und Elektrolyseverfahren abdecken:
- Elektrolyseur mit Anionenaustauschmembran
- Elektrolyseure mit Protonenaustauschmembran
- von Grundlagen bis zum industriellen Maßstab
Mit Geräten von GUNT lernen Auszubildende verschiedene Verfahren der Wasserstoffaufbereitung kennen, die auch zur Gewinnung von Stickstoff für Transformationsprozesse genutzt werden. Grundlagen für den Transport über Rohrleitungen mit einem Gasbooster werden vermittelt.
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Als Endverbraucher bietet GUNT Brennstoffzellensysteme mit Protonenaustauschmembran an. Daran werden die Funktion und der Aufbau gezeigt, sowie die Zusammenhänge der Betriebsparameter untersucht.
» mehr InformationenET 280 AEM-Elektrolyseur mit Zubehör
ET 278 Grundlagen H2-Kreislauf (PEM)
ET 282 Industrieller Elektrolyseur (PEM)
CE 585 Verfahren zur Wasseraufbereitung
CE 530 Umkehrosmose
CE 300 Ionenaustausch
CE 540 Adsorptive Lufttrocknung
CE 545 N2-Druckwechseladsorption
CE 550 N2-Membrantrennverfahren
MT 220 Montagestation: Gasbooster
ET 292 Brennstoffzellensystem
Geräteübersicht
| GUNT-Gerätecode | Upstream: Produktion von H2 |
Midstream: Aufbereitung, Transformation, Transport | Downstream: Endverbrauch |
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| » ET 278 |
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| » ET 282 |
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| » CE 585 |
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| » CE 530 |
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| » CE 300 |
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| » CE 540 |
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| » CE 545 |
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| » CE 550 |
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| » ET 292 |
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1. Produktion von H2
Wasserstoffproduktion durch AEM-Elektrolyse mit regenerativer Energie
Durch die Anionenaustauschmembran (AEM: Anion Exchange Membrane) ist der AEM-Elektrolyseur in zwei Halbzellen unterteilt. In der Anodenhalbzelle zirkuliert eine wässrige Kaliumhydroxidlösung als Elektrolyt, welche die Membran durchnässt. In der Kathodenhalbzelle liegt keine Flüssigkeit vor.
Wasser durchwandert die Membran und wird an der Kathode reduziert.
4H2O + 4e– → 4OH– + 2H2
Entstehender Wasserstoff entweicht, während die Hydroxidionen in die Anodenhalbzelle zurückwandern. An der Anode entsteht daraus Sauerstoff und Wasser.
4OH–→ 2H2O + O2 + 4e–
Um die Produktion von grünem Wasserstoff im vollen Umfang experimentell zu erarbeiten, bietet GUNT ein System aus aufeinander abgestimmten Versuchskomponenten an:
- Photovoltaikmodule ET 255.02 und Windkraftanlage ET 255.04 als regenerative Energiequellen
- Energiesystem ET 255 für optimierten Eigenverbrauch durch Speichernutzung mit Energiemanagementsystem
- AEM-Elektrolyseur ET 280 zur Wasserstoffproduktion
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ET 255.01 Photovoltaiksimulator |
- Simulation von Strom- und Spannungskennlinien bei Photovoltaikmodulen
- zeitgesteuerte Vorgabe von Erzeugungs- und Verbrauchsprofilen
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ET 255.02 Photovoltaikmodule |
- mobiler schwenkbarer Rahmen mit 4 Photovoltaikmodulen, Neigungswinkel einstellbar
- Aufnahme der Beleuchtungsstärke und der Modultemperatur
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ET 255.04 Windkraftanlage |
ET 255.04 dient als zusätzliche erneuerbare Energiequelle.
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Not-Aus-Schalter als Sicherheitseinrichtung |
ET 255 Energiesystem für
Solar- und Windstrom
ET 255 enthält alle erforderlichen, vernetzten Komponenten eines Energiesystems.
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Generatoranschlusskasten mit Trennschalter und Überspannungsschutz als Sicherheitseinrichtung |
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Laderegler mit Leistungsoptimierung (MPP Tracker) |
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LiFePO-Akkumulator mit Batteriemanagementsystem |
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Wechselrichter für Netzeinspeisung und Inselbetrieb |
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Zweirichtungsstromzähler mit Kommunikationsschnittstelle |
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Netzanschluss |
ET 280 Modularer Elektrolyseur für H2 (AEM)
ET 280 enthält einen Elektrolyseur mit einem Stack, der aus mehreren in Reihe geschalteten Zellen in bipolarer Bauweise besteht.
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Umkehrosmoseanlage zur Wasseraufbereitung |
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luftgekühlter Elektrolyseur mit Anionenaustauschmembran (AEM), Stack mit 24 Zellen |
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Gasbrenner zum Abfackeln des erzeugten Wasserstoffs |
Bei der PEM-Elektrolyse dient die Protonenaustauschmembran (PEM: Proton Exchange Membrane) als Elektrolyt. Die Anodenseite wird von Wasser durchströmt. Das Wasser wird an der Anode zu Sauerstoff, freien Elektronen und Wasserstoff-Ionen reduziert. 2H2O → O2 + 4H+ + 4e- Die Wasserstoff-Ionen durchwandern die Membran und reagieren an der Kathode mit den freien Elektronen zu Wasserstoff. 4H+ + 4e- → 2H2
Wasserstoffproduktion durch PEM-Elektrolyse: von Grundlagen bis zum industriellen Maßstab
ET 278 Grundlagen des H2-Kreislaufs (PEM)
ET 278 enthält alle Komponenten, um die Umwandlung von elektrischer Energie in Wasserstoff und die umgekehrte Umwandlung in einem Kreislauf zu untersuchen.
- vollständiger Wasserstoffkreislauf
- PEM-Elektrolyseur zur Wasserstofferzeugung
- Wasserstoffaufbereitung in transparenten Bauteilen
- PEM-Brennstoffzelle für direkten Wasserstoffverbrauch
- Erfassung von elektrischer Leistung, Volumenstrom, Druck mit energetischer Bilanzierung
- Anlagensteuerung mit einer SPS über Touchscreen
ET 282 Industrieller Elektrolyseur für H2 (PEM)
ET 282 enthält alle Komponenten, um die Wasserstofferzeugung in einem industriellen Maßstab zu untersuchen. Die typischen Verfahrensstufen unterteilen sich in: Wasseraufbereitung, Wasserstofferzeugung sowie Aufbereitung und Speicherung von Wasserstoff.
- leistungsstarker 5kW PEM-Elektrolyseur zur Wasserstofferzeugung
- Wasseraufbereitung in geschlossenem Wasserkreislauf
- permanente Kontrolle der Zellalterung
- drei Verfahren zur Wasserstoffaufbereitung
- Erfassung von Wasserstoffdurchfluss, -temperatur, -druck
- digitale Anlagensteuerung und Datenerfassung über ein Prozessleitsystem mit GUNT-Software
Wasseraufbereitung
- geschlossener Wasserkreislauf
- Behälter mit Heizer zur Vorwärmung von Wasser
- Ionenaustauscher zur Einstellung der Leitfähigkeit
- kontinuierliche Leitfähigkeitsanalyse
PEM-Elektrolyseur
- Elektrolyse-Stack mit 18 Zellen
- katalysatorbeschichtete Membran (CCM – Catalyst Coated Membrane) mit erhöhter Platinbeladung
- Überwachung der Einzelzellspannungen am Stack zur vorbeugenden Instandhaltung
- Spülen mit Stickstoff über separaten Anschluss für z.B. Wartungsarbeiten möglich
Trocknung von H2
- Tropfenabscheider zur Grobabscheidung des Wassers
- Kühlstrecke mit nachgeschaltetem Koaleszenzfilter
- Entfernen der Restfeuchte über zwei Adsorber im Wechselbetrieb
Verfahren zur Wasseraufbereitung für Elektrolyse
CE 585 Verfahren zur Wasseraufbereitung
- Aufbereitung von Rohwasser im industriellen Maßstab
- Kennenlernen der wichtigsten Grundverfahren zur Wasseraufbereitung: Belüftung, Filtration, Adsorption, Ionenaustausch und Desinfektion
- Durchführen von Instandhaltungsaufgaben
CE 530 Umkehrosmose
Aufbereitetes Wasser wird für die Produktion von Wasserstoff mittels Elektrolyse benötigt. Die Wasserqualität wird durch Vorgaben des jeweiligen Elektrolyseurs bestimmt. Diese Wasserqualität kann durch Wasseraufbereitung mittels Umkehrosmose erreicht werden. CE 530 demonstriert mit einem Membrantrennverfahren das Grundprinzip der Umkehrosmose.
- Montage, Reinigung und Konservierung von Membranmodulen
- Grundprinzip der Umkehrosmose, Gesetz von Van’t Hoff
- Bestimmung von Diffusionskoeffizienten
CE 300 Ionenaustausch
Ionenaustauscher werden bei der Wasseraufbereitung überwiegend zur Entsalzung und Enthärtung eingesetzt. Mit CE 300 lassen sich diese Verfahren mit Hilfe von Kationen- und Anionenaustauschern anschaulich demonstrieren.
- Enthärtung und Entsalzung von Wasser durch Ionenaustausch
- Regeneration von Ionenaustauschern
- Kationen- und Anionenaustauscher
- Überprüfung der theoretisch berechneten Regenerationsdauer
- kontinuierliche Erfassung von Leitfähigkeit und Durchfluss
2. Aufbereitung, Transformation, Transport
Aufbereitung von H2 für Transport und Endverbrauch, Gastrennung für Transformationsprozesse
Die Trocknung durch Adsorption spielt in der Aufbereitung von Wasserstoff aus der Elektrolyse eine entscheidende Rolle, um Feuchtigkeitsschäden an nachfolgenden Prozessen zu vermeiden.
CE 540 Adsorptive Lufttrocknung
Anhand von feuchter Luft wird mit CE 540 die Trocknung von Gasen mittels Adsorption demonstriert.
- kontinuierlicher Prozess mit Regeneration des Adsorbens
- transparente Kolonnen und Adsorbens mit Indikator zur Beobachtung der Sättigung und Verschiebung der Massentransferzone (MTZ)
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Die Druckwechseladsorption wird in der Wasserstofftechnik neben der Aufbereitung von Wasserstoff, zur Gewinnung von Stickstoff für die Ammoniaksynthese als Transformationsprozess eingesetzt.
CE 545 N2-Druckwechseladsorption
Das Prinzip der Druckwechseladsorption (PSA - Pressure Swing Adsorption) wird bei CE 545 zur Gewinnung von Stickstoff aus Luft eingesetzt.
- Verfahrensstufen der Druckwechseladsorption: Adsorption, Durchbruch, Desorption, Regeneration
- zwei wechselbetriebene Festbettkolonnen zur parallelen Adsorption und Regeneration
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Membrantrennverfahren werden in der Wasserstofftechnik zur Aufbereitung von Wasserstoff sowie zur Gewinnung von Stickstoff durch Gastrennung eingesetzt. Der Stickstoff wird zur Transformation von Wasserstoff zu e‑Ammoniak als Wasserstoff-Derivat eingesetzt.
CE 550 N2-Membrantrennverfahren
Mit CE 550 wird Gastrennung mit Hohlfasermembranen nach dem Prinzip der selektiven Permeation anschaulich demonstriert.
- Stickstoffgewinnung aus Luft
- wartungsarmer Prozess
- industrielles Membranmodul
- SEPURAN® N2-Hohlfasermembranen
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Verdichtung und Transport in Rohrleitungen
MT 220 Montagestation: Gasbooster in der Wasserstofftechnik
Die Montagestation MT 220 enthält einen industriellen Gasbooster aus der Wasserstofftechnik, der in eine Rohrstrecke mit verschiedenen Armaturen eingebaut wird. Die Rohrmontage wird von den Auszubildenden nach Vorgabe selbst durchgeführt. Für die Versuche wird als Antriebs- und Betriebsfluid Druckluft statt Wasserstoff verwendet.
- praxisgerechte Montage von Rohrleitungen und Armaturen in der Wasserstofftechnik
- einstufiger Gasbooster mit pneumatischem Antrieb
- reale Dichtheitsprüfung und Instandhaltungsarbeiten
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MT 141 Montageübung Kolbenverdichter mit MT 142 Prüfvorrichtung
CE 810 Gasbooster in der Wasserstofftechnik
- Funktionsprinzip eines einstufigen Kolbenverdichters mit pneumatischem Antrieb
- industrielles Hochdruckgerät
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CE 815 Komponenten in der Wasserstofftechnik
3. Endverbrauch
Wasserstoffverbrauch durch PEM-Brennstoffzellen
Brennstoffzellen sind Energiewandler, die im Gegensatz zu Wärmekraftmaschinen chemische Energie direkt in elektrische Energie wandeln. Bei diesem Prozess entsteht Wärme als Nebenprodukt.
An der Anode wird Wasserstoff in Protonen und Elektronen gespalten:
2H2 → 4H+ + 4e−
Die Protonen wandern durch die Membran zur Kathode, die Elektronen fließen über den Stromkreis und erzeugen elektrische Energie. An der Kathode reagieren Protonen, Elektronen und Sauerstoff zu Wasser:
O2 + 4H+ + 4e− → 2H2O
Gesamtreaktion der PEM-Brennstoffzelle:
2H2 + O2 → 2H2O + elektrische Energie + Wärme
ET 292 Brennstoffzellensystem
Hauptbestandteil von ET 292 ist eine Polymermembran-Brennstoffzelle mit einem Stack mit 30 Zellen, die in Kraft-Wärme-Kopplung betrieben wird. Das System wird anodenseitig mit hochreinem Wasserstoff aus einem Druckgasbehälter versorgt und kathodenseitig mit Sauerstoff aus der Umgebungsluft. Die Brennstoffzelle wird über eine integrierte elektronische Last entweder strom- oder spannungsgeführt betrieben.
- Funktion und Aufbau eines Brennstoffzellensystems
- Zusammenhänge der Betriebsparameter von Brennstoffzellen
- Messung der Einzelzellspannungen am Stack
- Einflüsse auf die elektrische Leistung von Brennstoffzellen
- Aufnahme und Visualisierung aller relevanten Kennlinien Spannung / Strom
- Berechnung relevanter Kenngrößen
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ET 278 Grundlagen des H2-Kreislaufs (PEM)
ET 278 veranschaulicht die Wasserstoffproduktion und die Rückwandlung von Wasserstoff in elektrische Energie.
- PEM-Brennstoffzelle und Halogenleuchtmittel als elektrischer Verbraucher
- vollständiger Wasserstoffkreislauf
- Erfassung von elektrischer Leistung, Volumenstrom, Druck mit energetischer Bilanzierung
- Anlagensteuerung mit einer SPS über Touchscreen
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