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Modellierung und Simulation von Brennstoffzellen
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Modellierung und Simulation der Hochtemperatur-Elektrolyse



Für die Hochtemperatur-Elektrolyse liegt die Betriebstemperatur bei etwa 700-1000°C. Die Arbeitsgruppe “Modellierung von Brennstoffzellen und Elektrolyse“ befasst sich mit der Modellierung der Wasserdampf- und Co-Elektrolyse mit Festoxid-Elektrolysezelle (SOEC).

Die Hochtemperatur-Elektrolyse ist eine wichtige Technologie für die erfolgreiche Umsetzung der Energiewende. Durch den zunehmenden Ausbau von Photovoltaik- und Windenergieanlagen nehmen zeitliche Schwankungen in der Stromerzeugung zu. Wenn die Stromerzeugung den Bedarf überschreitet, ist es mithilfe der Hochtemperatur-Elektrolyse möglich, das Stromüberangebot sinnvoll zu nutzen.

So kann durch die Elektrolyse von Wasserdampf Wasserstoff erzeugt werden, der langfristig verlustfrei gespeichert werden kann. Anschließend kann dieser Wasserstoff in einer Brennstoffzelle wieder in Strom verwandelt werden, z.B. wenn die Sonne nicht scheint und kein Wind weht. Das reduziert die zu installierende Leistung an Photovoltaik- und Windenergieanlagen stark. Daher ermöglichen Hochtemperatur-Elektrolyseure eine sehr viel effizientere Nutzung der erneuerbaren Energien.

Eine zweite Einsatzmöglichkeit ist die Ko-Elektrolyse. Hierbei wird eine Mischung aus Wasser und CO2 im Elektrolyseur zu Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid, sogenanntem Synthesegas, sowohl elektrochemisch als auch chemisch reduziert. Dieses Synthesegas ist ein wertvoller Rohstoff für unterschiedliche Prozesse in der Verfahrenstechnik. Beispielsweise dient es als Ausgangsstoff für die Fischer-Tropsch-Synthese, in der synthetische Kraftstoffe, Motoröle, und weitere chemische Verbindungen hergestellt werden können.

Beim Betrieb im Ko-Elektrolyse-Modus ist das Wasserstoff/Kohlenmonoxid-Verhältnis im Abgas des Elektrolyseurs von hohem Interesse, da es nachgeschaltete Prozesse stark beeinflusst. Außerdem gilt es zu verhindern, dass sich fester Kohlenstoff in den Zellen ablagert, da dies zu einer reduzierten Leistung und Zellversagen führen kann.

Daher liegt ein Modellierungsschwerpunkt im Bereich der Hochtemperatur-Elektrolyse auf der elementarkinetischen Modellierung der elektrochemischen Halbzellreaktionen sowie der reversen Wassergas-Shift-Reaktion. Die Beschreibung elementarer Reaktionsschritte wird innerhalb des Modellierungsframeworks NEOPARD-X (Numerical Environment for the Optimization of Performance And Reduction of Degradation of X (= energy conversion device)) mit der physikalischen Beschreibung des Gas-, Ladungs- und Wärmetransport auf Zellebene gekoppelt. In Kombination mit Minimierungsalgorithmen, wie dem Downhill-Simplex-Algorithmus, ist es möglich anhand des Modells optimale Betriebsbedingungen in Bezug auf verschiedene Parameter abzuleiten.

 


Ihr Kontakt
Dr.rer.nat. Thomas Jahnke
Team Leader Modeling Fuel Cells and Electrolysis, Stuttgart

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