Elektrolysezelle im Labor
Siemens
Siemens-Forscher ist es gelungen, die Langzeitstabilität von keramischen Elektrolysezellen für die Produktion von Wasserstoff nachzuweisen. Damit haben sie einen Schritt in die Richtung neuer Energiespeicher geschafft.
Die Experten bei Siemens entwickeln und produzieren im Sektor Industry sogenannte Elektrolyseure, die mit Polymer-Elektrolyt-Membran(PEM)-Zellen bei Temperaturen unter 100 °C und hohem Druck Wasserstoff erzeugen. In einem von dem Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) geförderten Projekt untersuchten die Forscher der globalen Siemens-Forschung Corporate Technology (CT) nun zusätzlich die Hochtemperaturelektrolyse. Diese Technik könnte einen besseren Wirkungsgrad haben, da bei hohen Temperaturen die für die Elektrolysereaktion notwendige Zellspannung deutlich niedriger ist, wird erläutert.
Eine weitere Eigenschaft der Hochtemperaturelektrolyse sei die Umkehrbarkeit der Stromrichtung. Damit sei ein Wechsel zwischen effizienter Elektrolyse und Brennstoffzellenbetrieb möglich. In solch einem System könnte dann Erdgas, Biogas oder Wasserstoff zur Stromerzeugung beziehungsweise Kraft-Wärme-Kopplung eingesetzt werden.
Ein künftiger Hochtemperaturelektrolyseur könnte auch mit einer chemischen Synthese gekoppelt werden, etwa von Methan. Die dabei anfallende Abwärme könnte zur Erzeugung von Wasserdampf genutzt werden, der für die Hochtemperaturelektrolyse benötigt wird. Simulationen der Forscher sehen die Wirkungsgrade für die Wasserstofferzeugung und die Methansynthese bei etwa 75 Prozent, bezogen auf den jeweiligen Heizwert. Die Kompression der Gase auf 80 bar ist bereits berücksichtigt.
In dem Projekt optimierten CT-Forscher mit dem Keramikhersteller Kerafol und mit dem Forschungszentrum Jülich elektrochemische Zellen, bei denen ein sauerstoffionenleitender Elektrolyt als Trägermaterial verwendet wird. Die wesentliche Herausforderung war, die Ablösung der Sauerstoffelektrode zu verhindern, die bisher Alterungseffekte verursachte. Die Forscher verbesserten deren Stabilität, indem sie ein Elektrodenmaterial verwendeten, das sowohl Elektronen- als auch Sauerstoffionen leitet. In einem Labor der CT in Erlangen liefen keramische Elektrolysezellen bei 850 °C mehr als 8000 Stunden bei einer Stromdichte von 0,5 Ampere pro Quadratzentimeter und einer Zellspannung von maximal 1,1 Volt. Die Forscher beobachteten bei dem Dauerversuch eine spannungsbezogene Alterung von lediglich 0,2 Prozent pro 1000 Betriebsstunden.
Auch ein Konzept für den Aufbau von Zellstapeln wurde von den Forschern demonstriert. Um eine ausreichende Langzeitstabilität von größeren Zellstapeln zu erreichen, besteht jedoch noch Entwicklungsbedarf. Mit der Präsentation der im Labor erzielten Ergebnisse beim Projektträger wurden die technischen Arbeiten in dem über drei Jahre durchgeführten Förderprojekt nun erfolgreich abgeschlossen.