Wasserstoffproduktion aus Wasser durch Festoxidelektrolyse

Wasserstoffproduktion aus Wasser durch Festoxidelektrolyse

Die Festoxidelektrolysezelle (SOEC) ist eine Hochtemperatur-Wasserelektrolysetechnologie, die YSZ und andere Materialien als Elektrolyte verwendet, um durch Anoden- und Kathodenreaktionen Wasserstoff zu erzeugen. Es bietet die Vorteile eines geringen Stromverbrauchs und eines hohen Wirkungsgrads und eignet sich zur Abwärmerückgewinnung, steht jedoch vor hohen Kosten- und Stabilitätsproblemen.

Die Festoxidelektrolyse von Wasser zur Herstellung von Wasserstoff ist eine Hochtemperatur-Wasserelektrolysetechnologie. Vom technischen Prinzip her lässt sich SOEC in Sauerstoffionenleitungs-SOEC und Protonenleitungs-SOEC unterteilen.

(Sauerstoffionenleitungs-SOEC-Arbeitsprinzip)

(Funktionsprinzip des protonenleitenden SOEC)

Sauerstoffionenleitendes SOEC verwendet festes Oxid als Elektrolyt, und die folgenden chemischen Reaktionen finden an der Anode bzw. Kathode statt:
Anode: 2O²ˉ=O2+ 4e-
Kathode: 2H2O+4e-=2H2+2O²ˉ

Zu den Kernkomponenten von SOEC gehören ein dichter Elektrolyt und eine poröse Elektrode, wobei der Elektrolyt normalerweise Yttriumoxid-stabilisiertes Zirkonoxidmaterial (YSZ) ist. Bei hohen Temperaturen von 600 bis 1000 °C weist YSZ eine hervorragende Ionenleitfähigkeit und thermochemische Stabilität auf, was es zum bevorzugten Elektrolytmaterial für SOEC macht.

Neben YSZ werden in SOEC-Elektrolyten auch einige andere Materialien häufig verwendet. Beispielsweise zeigen Scandia-stabilisiertes Zirkonoxid (ScSZ) und Elektrolyte auf Ceroxidbasis unter bestimmten Bedingungen ebenfalls eine gute Leistung. Darüber hinaus gewinnen Elektrolyte auf Lanthangallatbasis zunehmend an Aufmerksamkeit, und die Anwendung dieser Materialien bietet eine Vielzahl von Auswahlmöglichkeiten für SOEC-Elektrolyte.

Als Elektrodenmaterialien verwenden Wasserstoffelektroden üblicherweise Ni-YSZ-Metallkeramik-Verbundwerkstoffe, die nicht nur eine gute Leitfähigkeit aufweisen, sondern auch eine ausreichende katalytische Aktivität zur Förderung der Wasserstofferzeugung bieten. Sauerstoffelektroden verwenden meist Verbundwerkstoffe aus Strontium-dotiertem Lanthangallat (LSM) und YSZ, die die Sauerstofferzeugung effektiv katalysieren und die Stabilität bei hohen Temperaturen aufrechterhalten können.

Die Struktur von SOEC ist hauptsächlich in zwei Typen unterteilt: röhrenförmig und flach. Tubular SOEC ist der früheste untersuchte Typ. Sein Hauptvorteil besteht darin, dass keine zusätzlichen Dichtungsmaterialien erforderlich sind und die Verbindungsmethode relativ einfach ist. Rohr-SOEC hat jedoch auch Nachteile wie hohe Kosten und geringe Leistungsdichte. Im Gegensatz dazu bietet flaches SOEC die Vorteile einer hohen Leistungsdichte und niedriger Kosten und ist daher zu einem Hotspot der aktuellen Forschung geworden. Flache SOEC stellen jedoch große Herausforderungen bei der Abdichtung dar und es ist notwendig, die Stabilität von Dichtungsmaterialien unter Hochtemperaturbedingungen zu überwinden.

Die Betriebstemperatur von SOEC liegt normalerweise bei 600 bis 1000 °C und die Enthalpie von Hochtemperatur-Wasserdampf ist hoch, sodass die Elektrolysespannung von SOEC nur 1,3 V betragen kann, während die Elektrolysespannung von alkalischer Elektrolyse oder Protonenelektrolyse beträgt Die Austauschmembranelektrolyse (PEM) liegt normalerweise über 1,8 V. Daher hat SOEC offensichtliche Vorteile beim Stromverbrauch. Unter der Bedingung eines minimalen Stromverbrauchs können 3 kWh Strom 1 Normkubikmeter Wasserstoff erzeugen. SOEC erfordert jedoch einen zusätzlichen Energieverbrauch zur Erzeugung von Hochtemperatur-Wasserdampf, was in einigen speziellen Anwendungsszenarien, wie beispielsweise der Wasserstofferzeugung durch Kernkraft, einzigartige Vorteile bietet.

Obwohl SOEC offensichtliche Vorteile in Bezug auf Stromverbrauch und Effizienz bietet, bringt seine hohe Betriebstemperatur auch einige Herausforderungen und Probleme mit sich. Das erste ist die Kostenfrage. Die Kosten für Hochtemperaturmaterialien und Herstellungsverfahren sind hoch. Der zweite Grund ist die lange Start- und Abschaltzeit. Da SOEC zum Betrieb eine hohe Temperatur erreichen muss, ist sein Start- und Abschaltvorgang relativ langsam. Darüber hinaus ist auch die Lebensdauer ein zentrales Thema, das gelöst werden muss. Unter Hochtemperatur-Betriebsbedingungen stehen die Stabilität und Haltbarkeit des Materials vor Herausforderungen.

Derzeit befindet sich die Technologie zur Herstellung von Wasserstoff durch Festoxidwasserelektrolyse noch in der Demonstrations- und Verifizierungsphase und wurde noch nicht in großtechnischen kommerziellen Anwendungen umgesetzt. Trotz der vielen Herausforderungen hat die SOEC-Technologie in bestimmten Bereichen großes Potenzial gezeigt. Beispielsweise kann die SOEC-Technologie bei der Nutzung der Abwärme von Kernkraftwerken und der industriellen Hochtemperatur-Abwärmerückgewinnung diese Hochtemperatur-Wärmequellen effektiv in Wasserstoff umwandeln und so eine effiziente Nutzung und Umwandlung von Energie erreichen.

Mit dem kontinuierlichen Fortschritt der Materialwissenschaft und der Herstellungsprozesse wird erwartet, dass die SOEC-Technologie in Zukunft die aktuellen technischen Engpässe überwinden und eine höhere Effizienz und niedrigere Kosten erzielen wird. Weitere Forschung und Entwicklung werden sich auf die Verbesserung der Leistung von Elektrolyt- und Elektrodenmaterialien, die Verlängerung der Lebensdauer von Geräten und die Optimierung des Gesamtdesigns und der Betriebsparameter des Systems konzentrieren. Es wird erwartet, dass die SOEC-Technologie durch vielfältige Verbesserungen und Innovationen eine wichtige Position in der zukünftigen Wasserstoffwirtschaft einnehmen und zu einem wichtigen Mittel zur Nutzung erneuerbarer Energien und zur Wasserstoffproduktion werden wird.