Hocheffiziente Wasserstoffproduktionstechnologie – Hochtemperatur-Festoxid-Elektrolysezelle

Die Hochtemperatur-Festoxid-Elektrolysezelle (SOEC) ist ein hocheffizientes, schnelles und flexibles Energiewandlungsgerät. Durch die Verwendung verschiedener Ausgangsmaterialien lassen sich diverse Produkte herstellen, was die Entwicklung multifunktionaler elektrochemischer Synthesizer ermöglicht. Sie kann an saubere Energiequellen wie Wind- und Photovoltaikanlagen angeschlossen werden. Ihre häufigste Anwendung ist die Wasserdampfelektrolyse zur Wasserstofferzeugung. Im Vergleich zu gängigen Wasserelektrolysetechnologien wie der alkalischen (ALK) und der Festoxid-Elektrolyse bietet sie deutliche Vorteile. Protonenaustauschmembran Die Festoxid-Elektrolysezelle (SOEC) bietet im Vergleich zur PEM-Elektrolyse mehrere Vorteile: höhere Effizienz (bis zu 85 %), Reversibilität und die Möglichkeit, die hochwertige Abwärme der erzeugten Produkte zu nutzen. Die SOEC wandelt elektrische und thermische Energie in chemische Energie um. Prinzipiell arbeitet die SOEC als Umkehrprozess der Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC). Wie in Abbildung 1 dargestellt, besteht die SOEC aus einer dichten Elektrolytschicht in der Mitte, porösen Elektroden an beiden Seiten und Gaskanälen außerhalb der Elektroden zur Zufuhr von Reaktionsgasen und zum Abtransport von Produktgasen, wodurch ein effizienter Gastransport und eine effiziente Gasverteilung ermöglicht werden. Wird an die Elektroden bei hohen Temperaturen (600–900 °C) eine Gleichspannung angelegt, werden Wasserdampfmoleküle (H₂O) an der Kathode in Protonen (H⁺) und Sauerstoffionen (O²⁻) gespalten. Die O²⁻-Ionen wandern durch die feste Oxidelektrolytschicht zur Anode, wo sie Elektronen (e⁻) freisetzen und Sauerstoffmoleküle (O₂) bilden.

Die Elektronen werden über die Verbindung zur Kathode geleitet, wo sie sich mit H⁺ zu Wasserstoffmolekülen (H₂) verbinden. Die Wasserstoffproduktion mittels SOEC (Solid Oxide Electrolysis Cell) nutzt die Ionenleitfähigkeit von Festoxid-Elektrolytmembranen, um Wasser bei hohen Temperaturen in Wasserstoff und Sauerstoff zu spalten. Die Produkte finden breite Anwendung in Branchen wie Stahlwerken, Chemieanlagen und der Luft- und Raumfahrt. SOEC lässt sich zudem thermisch mit verschiedenen chemischen Syntheseverfahren integrieren, wodurch das abgeschiedene Kohlendioxid und Wasser zu synthetischem Erdgas, Benzin, Methanol oder Ammoniak recycelt werden können. Im Vergleich zu anderen Wasserelektrolysetechnologien bietet SOEC zahlreiche Vorteile, darunter hohe Effizienz, niedrige Kosten, die Möglichkeit zur Co-Elektrolyse, Reversibilität und Eignung für diverse Anwendungsbereiche. Durch den Betrieb bei hohen Temperaturen (600–900 °C) profitiert SOEC von einer günstigen Kinetik, was zu einer hohen Elektrolyseeffizienz führt. Die erhöhte Betriebstemperatur reduziert den Stromverbrauch, sodass die Gesamtsystemeffizienz für die Wasserstoffproduktion etwa 85 % erreicht. Dies entspricht etwa dem 1,5-Fachen der Systemeffizienz der PEM-Elektrolyse und dem Doppelten der Gesamteffizienz. alkalische WasserelektrolyseHinsichtlich der Anwendungen eignen sich SOEC-Systeme aufgrund ihrer hohen Betriebstemperaturen hervorragend für Szenarien mit signifikanter Abwärme, wie beispielsweise Kohlekraftwerke, Stahlwerke, Ammoniaksyntheseanlagen und Kernkraftwerke. Die Integration von Abwärme in den SOEC-Betrieb kann den Stromverbrauch ergänzen, die elektrische Effizienz steigern und die Betriebskosten senken. Ein weiteres besonderes Merkmal von SOEC im Vergleich zu anderen Technologien ist ihre Reversibilität – sie ermöglicht einen flexiblen Wechsel zwischen Elektrolyse- (SOEC) und Brennstoffzellenbetrieb (SOFC).

SOEC kann entweder im Elektrolysemodus Wasserstoff oder Synthesegas zur Energiespeicherung erzeugen oder im Brennstoffzellenmodus chemische Energie in Strom umwandeln. Dadurch entsteht ein synergistisches System für Wasserstoffproduktion, -speicherung und Stromerzeugung („Strom-Wasserstoff-Strom“). Dies birgt ein erhebliches Potenzial für die Speicherung erneuerbarer Energien und die Spitzenlastabdeckung im Stromnetz und trägt so zu einer effizienten Energienutzung und einem ausgeglichenen Energiemix bei. Insgesamt wird erwartet, dass die SOEC-Wasserstoffproduktion mit kontinuierlichen technologischen Fortschritten und zunehmender Marktreife eine entscheidende Rolle in der zukünftigen Energielandschaft spielen und zur Erreichung der globalen Klimaneutralitätsziele beitragen wird.