Fortschritte und wirtschaftliche Analyse der Wasserstoffproduktion durch Elektrolyse fester Oxide
Festoxid-Elektrolyseure (SOE) nutzen Hochtemperatur-Wasserdampf (600–900 °C) zur Elektrolyse und sind effizienter als alkalische und PEM-Elektrolyseure. In den 1960er-Jahren begannen die USA und Deutschland mit der Forschung an Hochtemperatur-Wasserdampf-SOE. Das Funktionsprinzip eines SOE-Elektrolyseurs ist in Abbildung 4 dargestellt. Recycelter Wasserstoff und Wasserdampf gelangen von der Anode in das Reaktionssystem. An der Kathode wird der Wasserdampf zu Wasserstoff elektrolysiert. Der an der Kathode erzeugte Sauerstoff (O₂) diffundiert durch den Festelektrolyten zur Anode, wo er zu Sauerstoff rekombiniert und Elektronen freisetzt.
Im Gegensatz zu alkalischen und Protonenaustauschmembran-Elektrolysezellen reagiert die SOE-Elektrode mit Wasserdampf und steht vor der Herausforderung, die Grenzfläche zwischen Elektrode und Wasserdampf zu maximieren. Daher weist die SOE-Elektrode üblicherweise eine poröse Struktur auf. Ziel der Wasserdampfelektrolyse ist die Reduzierung des Energieverbrauchs und der Betriebskosten im Vergleich zur konventionellen Flüssigwasserelektrolyse. Obwohl der Gesamtenergiebedarf der Wasserspaltungsreaktion mit steigender Temperatur leicht zunimmt, sinkt der elektrische Energiebedarf deutlich. Mit steigender Elektrolysetemperatur wird ein Teil der benötigten Energie als Wärme zugeführt. Die SOE kann in Gegenwart einer Hochtemperatur-Wärmequelle Wasserstoff produzieren. Da gasgekühlte Hochtemperatur-Kernreaktoren auf bis zu 950 °C erhitzt werden können, eignet sich Kernenergie als Energiequelle für die SOE. Gleichzeitig zeigen Forschungsergebnisse, dass auch erneuerbare Energien wie Geothermie Potenzial als Wärmequelle für die Dampfelektrolyse besitzen. Der Betrieb bei hohen Temperaturen kann die Batteriespannung senken und die Reaktionsgeschwindigkeit erhöhen, stellt aber gleichzeitig Herausforderungen hinsichtlich der thermischen Stabilität und der Abdichtung der Materialien dar. Darüber hinaus handelt es sich bei dem an der Kathode erzeugten Gas um ein Wasserstoffgemisch, das weiter getrennt und gereinigt werden muss, was die Kosten im Vergleich zur herkömmlichen Flüssigwasserelektrolyse erhöht. Der Einsatz protonenleitender Keramiken wie Strontiumzirkonat senkt die Kosten der Festkörperelektrolyse. Strontiumzirkonat weist bei etwa 700 °C eine ausgezeichnete Protonenleitfähigkeit auf und ermöglicht die Erzeugung von hochreinem Wasserstoff an der Kathode, wodurch die Dampfelektrolyseanlage vereinfacht wird.
Yan et al. [6] berichteten, dass ein mit Calciumoxid stabilisiertes Zirkonoxid-Keramikrohr als Trägerstruktur einer SOE (Solid-State-Elektrolysezelle) verwendet wurde. Die Außenfläche war mit einer dünnen (weniger als 0,25 mm) porösen Lanthan-Perowskit-Schicht als Anode und einem stabilen Ni/Y₂O₃-Calciumoxid-Cermet als Kathode beschichtet. Bei 1000 °C, 0,4 A/cm² und einer Eingangsleistung von 39,3 W betrug die Wasserstoffproduktionskapazität der Anlage 17,6 NL/h. Ein Nachteil der SOE ist die Überspannung, die durch die üblicherweise hohen ohmschen Verluste an den Verbindungsstellen zwischen den Zellen und die hohe Überspannungskonzentration aufgrund der eingeschränkten Dampfdiffusion entsteht. In den letzten Jahren haben planare Elektrolysezellen viel Aufmerksamkeit erregt [7-8]. Im Gegensatz zu Röhrenzellen ermöglichen flache Zellen eine kompaktere Fertigung und verbessern die Wasserstoffproduktionseffizienz [6]. Derzeit stellt die Langzeitstabilität der Elektrolysezelle [8] das Haupthindernis für die industrielle Anwendung der SOE dar, da Probleme wie Elektrodenalterung und -deaktivierung auftreten können.
Veröffentlichungsdatum: 06.02.2023