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000912169 245__ $$aIEK-14 Report 2022 Forschung für die Energiewende und den Wandel im Rheinischen Revier
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000912169 4900_ $$aSchriften des Forschungszentrums Jülich Reihe Energie & Umwelt / Energy & Environment$$v588
000912169 520__ $$aDer neue Institutsbereich IEK-14: Elektrochemische Verfahrenstechnik entstand aus der Teilung des alten IEK-3 sowie den Verlegugen der Abteilungsaktivitäten „Festoxid-Wandler“ an das IEK-9 und „Sicherheitsforschung“ an das IEK-14. Neben diesen strukturellen Veränderungen hatte das IEK-14 mit den politischen Initiativen zur Energiewende sowie zum Revierwandel weitere Herausforderungen zu bestehen. Mit neu ausgerichteten Themenschwerpunkten liefert das IEK-14 systematisch die von der Energieforschung erwarteten Lösungen auf technologiebezogene Fragen. Der Themenschwerpunkt „Wasserelektrolyse“ fokussiert sich auf PEM-, AEM- und alkalische Elektrolyseure der nächsten und übernächsten Generation. Die Erforschung von ionischen Flüssigkeiten als neuartige Elektrolyte für die bei über 100 °C betriebene Polymermembran-basierte Brennstoffzelle erschließt sich mit neuenFuE-Vorhaben die nächste Entwicklungsstufe hin zu funktionstüchtigen, technisch relevanten Zellen. Der Themenschwerpunkt „Kraftstoffsynthese“ hat seine auf Verfahrens- und Systemanalysen basierte Orientierungsphase zu vielversprechenden Einsatzstoffen und Prozesspfade geführt und orientiert sich zusätzlich auf die Katalysator- und Reaktor-entwicklung für die Alkohol- und Kerosinsynthese. Der neu ins IEK-14 eingeführte Schwerpunkt der Sicherheitsforschung entwickelt sich zu einem einzigartigen Forschungsbeitrag für Sicherheitsanalysen, -konzepte und -einrichtungen beim Einsatz von H2-basierten Energiesystemen. Die Wasserelektrolyse bei Temperaturen von etwa 70 °C erlaubt einen hochdynamischen Betrieb mit schnellen An- und Abfahrprozeduren. Der Reifegrad bei Elektrolyseuren mit Polymerelektrolytmembran und/oder Kalilauge ermöglicht den Aufbau großer Anlagen im MW-Maßstab. Derzeitige und zukünftige FuE-Arbeiten konzentrieren sich auf die Verbesserung der Leistungsfähigkeit, die Erhöhung der Lebensdauer und die Reduzierung der Investitions- und Betriebskosten. Durch das Ausrollen großer Anlagen zur elektrochemischen H2-Erzeugung wird die Integration in das Energiesystem erprobt und die Skalierung der Herstelltechnik erprobt und validiert. Der Betrieb einer PEM-Brennstoffzelle oberhalb von 100 °C ermöglicht eine effektivere Kühlung und macht die Befeuchtung der Gase und eine Wasserrezyklierung überflüssig. Dies erfordert neue, nichtwässrige, protonen-leitende Elektrolyte. Ziel ist die Entwicklung von PEM-Brennstoffzellen auf Basis protischer, ionischer Flüssig-keiten (PIL), geeignet für den Betrieb bei 100 – 120 °C. Um PILs hinsichtlich ihrer Grenzflächen- und Bulkeigenschaften zu optimieren, werden diegrundlegenden Mechanismen der elektrochemischen Reaktionen und des Ionentransports untersucht. Die PILs werden in einem Matrixpolymer immobilisiert und in Einzelzellen getestet. Für die Luft- und Schifffahrt sowie in Teilen für den straßengebundene Schwerlasttransport müssen weiterhin flüssige Kraftstoffe mit hoher Energiedichte zur Verfügung stehen. Um diesen Verkehrsbereich zu defossilisieren können die benötigten Kraftstoffe aus nachhaltig erzeugtem H2 und CO2 aus Biomasse, Luftabtrennung und nicht vermeidbaren Prozessgasen erzeugt werden. Zugehörige FuE-Arbeiten konzentrieren sich auf die Prozessanalyse sowie die Katalysatorund Reaktorentwicklung. Die Skalierung dieser aufwendigen Umwandlungstechnik spielt für die Integration in das Energiesystem eine wichtige Rolle. Neben den technisch-ökonomischen Herausforderungen haben Fragen der technischen Sicherheit für die Akzeptanz neuer Wasserstofftechnologien eine besondere Bedeutung. Die Wasserstoff-Sicherheitsforschung betrachtet modellgestützt unfallbedingte und unvermeidbare H2-Freisetzungen, identifiziert die auftretenden Risiken und untersucht dieWirksamkeit sicherheitsgerichteter Maßnahmen. Auf dieser Basis lassen sich anwendungsspezifische Sicherheitskonzepte  bleiten sowie Sicherheitseinrichtungen entwickeln, erproben und charakterisieren, um Schäden und mögliche Akzeptanzprobleme zu vermeiden.
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