Hochtemperatur-Elektrolyse zur Erzeugung von Grünem Wasserstoff (HTs: HTEL-Stacks - Ready for Gigawatt)

Die Hochtemperaturelektrolyse (HTEL) zeichnet sich im Vergleich zu anderen Elektrolysetechnologien, wie der PEM-Elektrolyse (PEM = Proton Exchange Membrane, zu Deutsch: Protonenleitende-Membran) und der alkalischen Elektro­lyse, durch einen höheren Wirkungsgrad und niedrige Be­triebskosten aus. Aus diesem Grund stellt diese Technologie einen vielversprechenden An­satz zur Erzeugung von Grünem Wasser­stoff dar.

Funktionsprinzip der Hochtemperatur-Elektrolyse. Grafik: UBT / Dr.-Ing. Carolin Sitzmann

Im H2Giga-Projekt „HTs: HTEL-Stacks – Ready for Gigawatt“ erforschen wir Elektrolyt getragene Zellen, die auf einem ZrO2-Elektrolyten aufbauen. Der Elektrolyt ist in diesem Design die festigkeitsbestimmende Komponente der Membran-Elektroden-Einheit (MEA). Bei Anliegen einer elektrischen Spannung sowie der Zuleitung von Wasser und Luft wird das Wasser innerhalb der Kathode in Wasserstoff sowie Sauerstoffionen zerlegt. Diese Ionen werden durch den keramischen Elektrolyten zum Ladungsausgleich an die Anode geleitet und reichern hier die Luft entsprechend an. Der entstandene Wasserstoff wird an der Kathode aus der MEA geleitet und kann anschließend weiter transportiert und gespeichert werden.

Kernelement zur Pro­duk­tion von Grünem Wasser­stoff über die HTEL sind somit die Festoxid-Zellen bzw. Stacks. Diese stellen einen Schlüssel für die groß­wirt­schaft­liche und kosteneffiziente Her­stell­ung von Grünem Wasser­stoff bei hoher Grundlast dar. Um den Wasser­stoffmarkt zukünftig mit großskaligen HTEL-Zellen und -Stacks bedienen zu können, bedarf es allerdings weiterer Entwicklungs­schritte hinsichtlich Lebensdauer, Material­kosten, Effizienz, Fertigungs­techno­logien sowie Upscaling der Produktion. Das H2Giga-Projekt adres­siert den Ent­­wicklungs- und Forschungs­schwer­punkt genau auf diesen Themen und trägt damit einen ent­schei­denden Beitrag zur Reali­sierung der Nationalen Wasser­stoff­strategie und damit ver­bunden zur Hoch­skalierung der Elektro­lysetechnologie im Megawatt-Maß­stab bei. Im Rahmen des Projektes übernimmt Sunfire, als Elektro­lyseur­hersteller die Gesamt­koor­di­nation und bearbeitet ge­meinsam mit Partnern aus Industrie und Forschung Fragestellungen zur Industri­ali­sierung der HTEL-Zellen und -Stacks.

Ilaria Bombarda M.Sc., Doktorandin am Lehrstuhl Keramische Werkstoffe, an der Hochtemperatur-Prüfanlage. Foto: UBT / Christian Wißler.

Der Lehrstuhl Keramische Werkstoffe (Universität Bayreuth) ist für die Charakterisierung der keramischen Pulver sowie neuer und betriebener Elektrolyseur­zellen zuständig. Dabei ist der Forschungsgegenstand die Analyse der Mikrostruktur sowie die Prüfung und Unter­such­ung der thermo­mechanischen Eigenschaften bei Raumtemperatur und bis zu 850 Grad Celsius. Die mechanischen Kenn­werte werden durch Doppel­ring-Biegeversuche sowie Zugversuche er­mittelt. Hierfür wird die neue, einzigartige Hochtemperatur-Prüfanlage des Lehrstuhls eingesetzt, die Ende 2020 in Betrieb ging und durch Mittel der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) sowie der TechnologieAllianzOberfranken finanziert wurde. Als Methoden der Mikrostrukturanalyse werden neben Licht- und Raster­elektronen­mikroskopie Röntgenbeugung und IR-Spektroskopie ein­gesetzt. Darauf aufbauend werden Computer­ unterstützte Analysen der aufgenommenen Mikrostrukuren entwickelt und angewendet. Ziele der Arbeiten des Lehrstuhls sind die Korrelation der Mikrostruktur mit den thermomechanischen Eigenschaften, insbesondere hinsicht­lich der Alterungsmechanismen, sowie die Entwicklung eine Strategie zur Vor­her­sage dieser Mecha­nismen.

Kontakt

Dr.-Ing. Carolin Sitzmann, Ilaria Bombarda M.Sc.,Borhan Uddin Manam M.Sc., Dr. rer. nat. Nico Langhof, Prof. Dr.-Ing. Stefan Schafföner

Projektdaten

Laufzeit: 05/2021 – 03/2025

Fördergeber: Bundesministerium für Bildung und Forschung

Projektpartner: Sunfire GmbH, Fraunhofer IKTS (Abteilung Energiesysteme), KIT (Institut für angewandte Materialien, Elektrochemische Technologien IAM-ET sowie Laboratorium für Elektrodenmikroskopie LEM), DLR (Institut für Technische Thermodynamik TT), Europäisches Institut für Energieforschung (EIFER), Kerafol Keramische Folien GmbH & Co. KG, XENON Automatisierungstechnik GmbH, HORIBA Fuelcon GmbH

Hintergrund

„HTs: HTEL-Stacks – Ready for Gigawatt“ ist eines der Scale-Up-Projekte innerhalb des Leitprojektes H₂Giga. Die Wasserstoff-Leitprojekte bilden die bisher größte Forschungsinitiative des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) zum Thema Energiewende. In den industriegeführten Leitprojekten entwickeln Wirtschaft und Wissenschaft gemeinsam Lösungen für die deutsche Wasserstoffwirtschaft: Serienfertigung von großskaligen Elektrolyseuren (H₂Giga), Erzeugung von Wasserstoff auf See (H₂Mare), Technologien für den Transport von Wasserstoff (TransHyDE).

Die BMBF-geförderten Wasserstoff-Leitprojekte sind das Ergebnis eines Ideenwettbewerbs: Wissenschaft, Wirtschaft und Zivilgesellschaft waren eingeladen, Ideen zu Wasserstoff-Großprojekten einzureichen. Über 240 Partner haben sich so zusammengefunden und sollen mit insgesamt etwa 740 Millionen Euro gefördert werden. Die Leitprojekte werden über eine Laufzeit von vier Jahren gefördert. Weitere Informationen unter https://www.wasserstoff-leitprojekte.de.

Veröffentlichungen zum Thema

• Pressemitteilung der Universität Bayreuth zur Bewilligung des Projektes HTEL-Stacks
  
  
• Riegraf, Matthias; Bombarda, Ilaria; Dömling, Ferdinand; Liensdorf, Tom; Sitzmann, Carolin; Langhof, Nico; Schafföner, Stefan; Han, Feng; Sata, Noriko; Geipel, Christian; Walter, Christian; Costa, Rémi
  Enhancing the Mechanical Strength of Electrolyte-Supported Solid Oxide Cells with Thin and Dense Doped-Ceria Interlayers
  In: ACS Applied Materials & Interfaces Bd. 13 (2021) Heft 42. - S. 49879-49889, doi:10.1021/acsami.1c13899
  
  
• Han, Feng; Riegraf, Matthias; Sata, Noriko; Bombarda, Ilaria; Liensdorf, Tom; Sitzmann, Carolin; Langhof, Nico; Schafföner, Stefan; Walter, Christian; Geipel, Christian; Costa, Rémi
  Properties and Performance of Electrolyte Supported SOFCs with EB-PVD Gd-Doped Ceria Thin-Films
  In: ECS Transactions Bd. 103 (2021) Heft 1. - S. 139-147, doi:10.1149/10301.0139ecst
  
  
• Sitzmann, Carolin; Liensdorf, Tom; Dömling, Ferdinand; Langhof, Nico; Krenkel, Walter
  Mechanische Charakterisierung von Festoxid-Brennstoffzellen
  In: Keramische Zeitschrift Bd. 72 (2020) Heft 2. - S. 48-53, doi:10.1007/s42410-020-0122-3