Technologie

Strom zu Wasserstoff und wieder zurück

04.01.2019 - Hochtemperatur-Brennstoffzelle erreicht Rekord-Wirkungsgrad im Wasserstoffbetrieb.

Reversible Brennstoffzellen, englische Bezeichnung „reversible Solid Oxide Cell“, kurz rSOC, verbinden praktisch zwei Geräte in einem. Der Zell­typ ist daher in besonderer Weise für den Bau von Anlagen geeignet, die Elektrizität in Form von Wasser­stoff zwischen­speichern und diesen zu einem späteren Zeit­punkt wieder rück­verstromen können. Eine derartige Speicher­technologie könnte eine wichtige Rolle bei der Energie­wende spielen. Sie wird benötigt, um Schwankungen erneuer­barer Energien aus­zugleichen und dem Aus­einanderlaufen von Angebot und Nach­frage entgegen­zuwirken. Zusätzlich bietet sich der Einsatz für abgelegene Stationen auf Inseln und Bergen an, um dort eine autarke Energie­versorgung sicherzustellen.

Die außergewöhnliche Eigenschaft der Reversibilität weisen nur Hoch­temperatur-Brenn­stoff­zellen, kurz SOFC, englisch „Solid Oxide Fuel Cell“, auf, die bei etwa 800 Grad Celsius betrieben werden. Aufgrund der hohen Temperatur können für diesen Brenn­stoff­zellen­typ unedlere und kosten­günstigere Materialien als für Niedrig­temperatur-Brenn­stoff­zellen verwendet werden. Gleich­zeitig arbeiten Hoch­temperatur-Brenn­stoff­zellen höchst effizient. Anders als Nieder­temperatur­systeme, deren Wirkungs­grad im Betrieb mit Wasser­stoff auf etwa fünfzig Prozent begrenzt ist, können Hoch­temperatur-Brenn­stoffzellen auch einen deutlich höheren Wirkungs­grad erzielen.

Wissenschaftlern des Forschungs­zentrums Jülich ist es nun gelungen, den Wirkungs­grad noch weiter zu steigern und erstmals einen Wert von über 60 Prozent zu realisieren. Für ihre Anlage ermittelten die Forscher im Test­betrieb einen elektrischen Wirkungs­grad von 62 Prozent. „Möglich wurde dies durch ein verbessertes Stack­design in Verbindung mit einer optimierten und hoch­integrierten Anlagen­technik, die mehr als 97 Prozent des zugeführten Wasser­stoffs elektro­chemisch umsetzt“, erklärt Ludger Blum vom Jülicher Institut für Energie- und Klima­forschung (IEK-3).

Eine dieser Verbesserungen liegt in der Dimensionierung der Wandler­einheit. „Unser Stack kommt auf eine Leistung von fünf Kilo­watt, womit in etwa der Strom­verbrauch zweier Haushalte gedeckt werden könnte. Bislang musste man immer mehrere Einheiten im Kilo­watt-Maßstab kombinieren, um eine vergleich­bare Leistung zu erreichen“, erläutert Ludger Blum. Der Forscher hofft, dass sich so auch die Herstellungs­kosten senken lassen, da insgesamt weniger Einheiten für den Bau leistungs­starker Anlagen benötigt werden.

Im Elektrolyse­modus, wenn das System Wasser­stoff produziert, lässt sich die Jülicher Anlage sogar noch mit einer deutlich höheren Leistung fahren. Bei einer Strom­aufnahme des Stacks von 14,9 Kilowatt erzeugt sie dann pro Stunde 4,75 Kubik­meter Wasser­stoff, was einem System­wirkungs­grad von 70 Prozent entspricht. Damit arbeitet die Versuchs­anlage bereits jetzt effizienter als alkalische und Polymer­elektrolyt-Elektrolyseure, die auf 60 bis 65 Prozent kommen und heute Standard sind.

„Die Elektrolyse funktioniert für den Anfang schon recht gut, hier sehen wir aber auf jeden Fall noch ein Verbesserungs­potenzial“, berichtet Ludger Blum. Hoch­temperatur-Systeme von anderen Entwicklern, die speziell für die Elektrolyse optimiert wurden, erreichen heute Wirkungs­grade von über 80 Prozent. Im Brenn­stoff­zellen­modus arbeiten diese dann aller­dings nicht so effizient wie das neue Jülicher System.

Die Jülicher Forscher haben bereits weitere Optimierungen angedacht, mit denen sie den „Round-trip“-Wirkungs­grad weiter steigern wollen. Die Kenn­zahl beschreibt, welcher Wirkungs­grad bei der Wieder­verstromung, also nach Herstellung von Wasser­stoff und Rück­verstromung, übrig bleibt. Die Wissenschaftler wollen den Wert von aktuell 43 Prozent auf über 50 Prozent verbessern.

Für einen Wasserstoff­speicher wäre dieser Wert sensationell, auch wenn die Technologie in dieser Hinsicht nicht mit Batterie­speichern mithalten kann, die teilweise auf über 90 Prozent kommen. Dafür bieten Brenn­stoff­zellen-Systeme andere Vorteile. Da der Energie­wandler, die Brenn­stoff­zelle, und der Energie­träger Wasser­stoff klar voneinander getrennt sind, kann immer wieder neu Wasser­stoff zugeführt oder auch abgeleitet werden. Der Größe der speicher­baren Energie­menge sind so kaum Grenzen gesetzt.

FZJ / DE

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