Bild: DLR / Thomas Ernsting
Komponentenentwicklung für alkalische Wasserelektrolyse und Polymerelektrolyt-Elektrolyse
Elektroden für die alkalische Wasserelektrolyse sollten effizient, kostengünstig und langzeitstabil bei intermittierendem Betrieb sein. Das DLR hat für Anoden und Kathoden Beschichtungen auf der Basis von Raney-Nickel entwickelt, die diese Anforderungen erfüllen. Die Beschichtung erfolgt durch das Vakuum-Plasma-Spritz (VPS)-Verfahren auf Nickelbleche oder vernickelte Stahlbleche. Für eine Beschichtung mit NiAlMo auf der Kathode und NiAl/Co3O4 auf der Anode wurde bei 300 mA/cm2 und 80°C eine Zellspannung von 1,56 V für die Wasserzersetzung erreicht (3,7- 4 kWh/Nm3 H2 spez. Energieverbrauch), was gegenüber unbeschichteten Elektroden eine Reduktion der Überspannung von 0,4 – 0,5 V bedeutet und damit eine wesentliche Erhöhung der Effizienz. Für diese Elektroden wurde außerdem eine hervorragende Langzeitstabilität im intermittierenden Betrieb mit einem solaren Stromdichteprofil ohne Stützspannung über mehrere Jahre nachgewiesen.
Auch für die vielversprechende Polymerelektrolyt-Elektrolyse, die hohe Dynamik mit hoher Leistungsdichte kombiniert, werden neue Elektroden-Katalysatoren und Elektroden-Strukturen erforscht, um den Edelmetallgehalt deutlich zu verringern. Außerdem werden korrosionsstabile Beschichtungen für die Bipolarplatten entwickelt (z.B. Titanschichten auf Edelstahl), die eine signifikante Kostenreduktion ermöglichen. Die Innovationen werden in Stack- und Systemkonfigurationen industrieller Partner integriert und somit bezüglich technischer und ökonomischer Relevanz validiert. Die Langzeitstabilität der Komponenten und des Systems wird untersucht und die Alterungsphänomene werden mit verschiedenen Modellen beschrieben.
Systemtechnische Einbindung fortschrittlicher Elektrolyse als Speicher in zukünftige Energieversorgungsstrukturen
In Zusammenhang mit der steigenden installierten Leistung von fluktuierenden, erneuerbaren Energien rücken Speichertechnologien für elektrische Energie immer stärker in den Fokus des industriellen und politischen Interesses. Eine vielversprechende Möglichkeit sind hier chemische Speichertechnologien, wie zum Beispiel die Wasserstoffspeicherung, verbunden mit der Herstellung von Wasserstoff aus (vorzugsweise erneuerbarer) Elektrizität mit Hilfe der Wasserelektrolyse. Diese können ein Überangebot elektrischer Energie, z. B. aus Windkraftanlagen, als Wasserstoff speichern. Dabei können große Energiemengen gespeichert werden. Das DLR arbeiten an der effizienten Einbindung der Elektrolyse in ein Gesamtsystem, bei dem verschieden Nutzungsarten (Tankstelle, Einspeisung in Gasnetze, Rückverstromung, …) untersucht werden und das Elektrolysesystem bezüglich Wirkungsgrad, Verfügbarkeit, Zuverlässigkeit und Dauerhaltbarkeit optimiert wird.
Entwicklung der Hochtemperatur-Elektrolyse als zukünftige Option zur Wasserstoffherstellung mit höchster Effizienz, der Synthese von Kohlenwasserstoffen und elektrochemischen Energiespeicherung
Wesentlich höhere Wirkungsgrade verspricht die Hochtemperatur-Wasserelektrolyse (SOEC, solid oxide electrolysis cell) im Temperaturbereich zwischen 700 und 1000 °C, bei der Wasserdampf in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt wird. Insbesondere wenn es möglich ist, Prozesswärme aus industriellen oder solarthermischen Prozessen in den bei hohen Temperaturen ablaufenden Elektrolyseprozess einzukoppeln, können Wirkungsgrade von 90% und höher erzielt werden. Eine weitere interessante Option ist die gleichzeitige Reduktion von CO2 zu CO, wenn eine konzentrierte Kohlendioxidquelle zur Verfügung steht. So kann mit einer SOEC Synthesegas für die Gewinnung von Kohlenwasserstoffen, wie Alkoholen oder synthetischen Kraftstoffen bereitgestellt werden. Bei Verwendung von Biomasse und Elektrizität aus Erneuerbaren Energien kann dieser Pfad komplett nachhaltig gestaltet werden. Das DLR arbeitet an der Entwicklung funktionaler, effizienter und langzeitstabiler SOEC-Zellen und ihrer Assemblierung zu Shortstacks und Stacks. Die Elektroden müssen dabei für die verschiedenen Anwendungen optimiert werden. Weitere Schwerpunkte sind die Demonstration eines hohen Wirkungsgrads auf Stackebene und der Nachweis eines langzeitstabilen Betriebs bei hoher Stromdichte, hohem Dampfgehalt und Ko-Elektrolyse von Kohlendioxid.