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Innovative Solid Oxide Electrolyser Stacks for Efficient and Reliable Hydrogen Production

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Festoxidelektrolyse birgt Verheißung der Wasserstoffwirtschaft

Ein vielversprechender Weg zur Abschwächung des globalen Klimawandels könnte der Übergang zur Wasserstoffwirtschaft sein. Verbesserte Technologien zur Erzeugung von Wasserstoff mittels Elektrolyse von Wasser können dies schon bald möglich machen.

Industrielle Technologien

Wasserstoff ist ein Energieträger, mit dem man große Energiemengen nahezu ohne Umweltverschmutzung erzeugen kann. Doch obwohl Wasserstoff das häufigste Element unseres Universums ist, kommt es auf der Erde nicht als Gas in der Natur vor. Es ist an andere Elementen gebunden und bildet Verbindungen wie Wasser und Kohlenwasserstoffe (in fossilen Brennstoffen). Festoxidelektrolytzellen (Solid oxide electrolyte cell, SOEC) sind Festoxidbrennstoffzellen (solid oxide fuel cell, SOFC), die in umgekehrter Richtung funktionieren. Festoxidelektrolytzellen führen eine Hochtemperaturelektrolyse (high-temperature electrolysis, HTE) von Wasser durch und erzeugen aus erneuerbaren Energiequellen Sauerstoff und reines Wasserstoffgas. Die Festoxidbrennstoffzellentechnik konnte in den letzten Jahren große Fortschritte verzeichnen, wobei auch die Festoxidelektrolytzellen verbessert wurden. Dessen ungeachtet gibt es Probleme mit der Degradation, wenn die Zellen zu Stacks geschaltet sind. Da das aber notwendig ist, um großtechnisch relevante Mengen an Wasserstoff herzustellen, wurde dadurch deren Vermarktung behindert. Die Wissenschaftler riefen das EU-finanzierte Projekt RELHY ins Leben, um die Herausforderungen der Einbindung der derzeit gebräuchlichen Festoxidelektrolytzellen in industrierelevante effiziente, kostengünstige und langlebige Stacks zu meistern. Das Forschungs- und Entwicklungsteam konzentrierte sich auf die Optimierung der Zellmaterialien und innovativer Festoxidelektrolytstack-Designs. Die Forscher demonstrierten mit den neuen SOEC-Materialien wichtige Verbesserungen in Stabilität und Zellenleistung. Zwei Testkampagnen mit einzelnen, sich wiederholenden Einheiten und kleineren Stacks ergaben in Bezug auf Effizienz und Degradation vielversprechende Resultate. Das Design wurde auf den im Projektvorschlag anvisierten 25-Zell-Stapel übertragen, wobei man unter bestimmten Bedingungen eine begrenzte Degradation und stabile Elektrolyse erzielte. Hiermit bewies man nicht nur die Realisierbarkeit, sondern klärte man auch wichtige Probleme hinsichtlich der zukünftigen Optimierung und des Elektrolysebetriebs. Zum Abschluss stützten Analysen der Kosten und Umweltauswirkungen die Wettbewerbsfähigkeit der Hochtemperaturdampfelektrolyse (high-temperature steam electrolysis, HTSE) zur Erzeugung von Wasserstoff. Das Extrahieren von Wasserstoff aus Wassermolekülen durch mit erneuerbarer Energie betriebener Elektrolyse und der Einsatz dieses Wasserstoffs zur kohlenstoffneutralen Produktion synthetischer Brennstoffe lässt die Einführung einer Wasserstoffwirtschaft verlockend erscheinen. RELHY konnte die technische und wirtschaftliche Realisierbarkeit der Wasserstofferzeugung über die Elektrolyse von Dampf nachweisen. Und so ist eine Wasserstoffwirtschaft möglicherweise schon greifbar nahe.

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