Die kohlenstofffreie Wasserstoffproduktion
Europa hat sich verpflichtet, alternative Formen erneuerbarer Energien zu entwickeln, um so die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen einzuschränken und wichtige globale Umwelt- und Klimaherausforderungen anzugehen. Der Europäische Strategieplan für Energietechnologie (SET-Plan) hat Brennstoffzellen und Wasserstoff als Gebiete ausgewiesen, die am besten dabei helfen können, diese Energie- und Klimaziele zu erreichen. Ein großes Konsortium qualifizierter Partner rief das EU-finanzierte Projekt "Advanced electrolyser for hydrogen production with renewable energy sources" (ADEL) ins Leben, um kosteneffektive Wasserstoffproduktionstechniken auf Grundlage erneuerbarer Ressourcen zu entwickeln. Brennstoffzellen, die invers arbeiten, bilden Wasserstoff über die Elektrolyse von Wassermolekülen. Die moderne Technik nutzt Feststoffelektrolyseure (SOE) für die Hochtemperaturdruckelektrolyse (HTSE). Das ADEL-Konzept beschäftigt sich insbesondere mit der Dampfelektrolyse bei niedrigeren Temperaturen (ITSE, intermediate-temperature steam electrolysis), die verspricht, die Elektrolyseurlebensdauer zu verlängern und gleichzeitig die Leistung und Energieeffizienz des Systems beizubehalten. Innerhalb der ersten Projektphase entwickelten Wissenschaftler einzelne Zellen, einzelne, sich wiederholende Einheiten (SRU, Single Repeat Units) und kleine Zell-Stacks aus SOE-Materialien, um den Betrieb bei niedrigeren Temperaturen (bis zu 700 °C) zu untersuchen. Die ersten Ergebnisse zeigen eine gute Leistung, konstante Haltbarkeit und einen vielversprechenden, transienten Betrieb bei allen drei Varianten. Wissenschaftler stellten das Verhalten eines SOE-Stacks bei 800 °C(HTSE) und 700 °C(ITSE) modellhaft dar und verglichen sowohl die Energieleistung als auch die Erträge. Obwohl das ITSE-Verfahren einen verstärkten Wärmezufluss für den Betrieb erfordert, bietet es doch einige Vorteile hinsichtlich des Stromverbrauchs pro Einheit und der Investitionskosten. Man wählte und validierte Simulationswerkzeuge, mit denen man die passenden Energiequellen (Kern-, Solar-, Wind- und Biomasseenergie) sowie die ITSE-Integration in ein Wasserstoffkraftwerk analysieren konnte. Man analysierte die Leistung des ITSE-Geräts und optimierte dessen Layout. Das ITSE-Verfahren stellt eine technisch tragbare Möglichkeit für die Wasserstoffproduktion dar und trägt zu einem nachhaltigen Energieprogramm bei. Wie bei anderen aufkommenden Brennstofftechnologien, erfordert die kommerzielle Nutzung von SOE eine deutliche Senkung der Kosten. Das ADEL-Team geht davon aus, ein 50-kW-Demonstrationsmodul bieten zu können, dass die beste, aktuell verfügbare Technologie beinhaltet.
