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.
DE Wasserstoff-Leitprojekt H₂Giga – Ein Blick hinter die Kulissen
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- 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