Im zukünftigen Energiesystem wird das Angebot an grünem Strom stark variieren – mal ist er reichlich vorhanden, mal Mangelware. Um Angebot und Nachfrage auszugleichen, könnten Wasserstoff-Kraftwerke Energie in Form von Gas speichern und bei Bedarf wieder liefern. Gibt es nicht? Doch. Jülicher Forscher haben eine solche Demonstrationsanlage, meist als reversible Festoxidzelle bezeichnet, entwickelt und erprobt. Jetzt arbeiten sie an der nächsten Generation, die den Weg zur industriellen Serienfertigung ebnen soll.
Brennstoffzellen treiben unter anderem Wasserstoffbusse an oder versorgen Datenzentren unabhängig vom öffentlichen Netz mit Strom. Ihre Praxistauglichkeit als saubere und leise Energiewandler haben sie bewiesen, auch wenn sie sich noch nicht auf breiter Front durchgesetzt haben. Die Festoxidvariante dieser Brennstoffzellen (Solid Oxide Fuel Cell, SOFC), die in Jülich bei einer Temperatur zwischen 700 und 750 Grad Celsius betrieben wird, gilt als besonders geeignet etwa für Blockheizkraftwerke. Diese erzeugen Strom für Wohnsiedlungen, wobei die dabei anfallende Wärme ebenfalls genutzt wird. Das erhöht die Effizienz der Energieumwandlung.
Wie alle Brennstoffzellen setzen SOFC den Wasserstoff mit Luftsauerstoff zu nichts als Wasser um – ein Vorgang, der in Elektrolyseanlagen umgekehrt abläuft: Dort wird Wasser unter Stromverbrauch in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten, um Energie in Form von Wasserstoff zwischenzuspeichern und bei Bedarf rückzuverstromen.
Eine Anlage statt zwei
Benötigt man wirklich zwei Anlagen für einen einzigen umkehrbaren Prozess? Die Wissenschaft weiß seit Jahrzehnten, dass sich eine SOFC auch im Elektrolysemodus betreiben lässt. Doch erst mit dem schrittweisen Abschied von fossilen Brennstoffen rückte diese Möglichkeit wieder in den Blickpunkt.
„Man bezahlt die Elektrolyse und bekommt die Brennstoffzelle gratis dazu“.
Dr. Remzi Can Samsun, Abteilungsleiter am Institute of Energy Technologies (IET-1), Forschungszentrums Jülich
Der große Vorteil einer reversiblen Festoxidzelle wären Kosteneinsparungen: „Man benötigt statt zwei Anlagen nur eine: Man bezahlt die Elektrolyse und bekommt die Brennstoffzelle gratis dazu“, erklärt Dr. Remzi Can Samsun vom Institute of Energy Technologies (IET-1) des Forschungszentrums Jülich. Aber nicht nur die Anschaffung wird günstiger, betont Roland Peters vom Jülicher Institute for a sustainable Hydrogen Economy (IHE): „Die Anlage bleibt nicht ungenutzt, wenn die Energieumwandlung in eine Richtung gerade nicht gebraucht wird, sondern arbeitet dann einfach in die andere Richtung.“ Dadurch sinken auch die Betriebskosten. Da der Nutzen der Technologie von den Möglichkeiten der Wasserstoffspeicherung abhängt, ist die enge Kooperation zwischen IET und IHE entscheidend.
Bereits im Jahr 2018 haben Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich um Roland Peters eine reversible Festoxidanlage entwickelt, die im Brennstoffzellenmodus 5 Kilowatt Gleichstrom erzeugen und im Elektrolysemodus 15 Kilowatt Gleichstrom aufnehmen konnte. Sie analysierten die physikalischen und chemischen Prozesse beim Betrieb der Anlage und untersuchten nach dem Betrieb die Veränderungen der Materialien und Komponenten. Die gewonnenen Erkenntnisse nutzten sie zur Entwicklung eines optimierten Systems mit höherer Leistung. Die aktuelle Anlage erzeugt im Brennstoffzellenbetrieb genug Strom (13 Kilowatt), um zehn Waschmaschinen gleichzeitig zu betreiben. Wechselt man den Modus, so kann sie bis zu 50 Kilowatt Wechselstrom aufnehmen, um pro Stunde 11,7 Kubikmeter Wasserstoff zu produzieren. Diese Menge entspricht dem durchschnittlichen Energiebedarf von 60 Haushalten und kann als Energiereserve für längere Zeiträume gespeichert werden. Das System enthält vier Stapel, in der Fachsprache Stacks genannt, mit jeweils 80 Festoxidzellen. Diese sind mit Wärmeüberträgern und elektrisch beheizten Platten kombiniert.
Das Potenzial der Einbindung
„Die Energieumwandlung ist in beiden Betriebsmodi sehr effizient, und das in einem einzigen reversiblen Aufbau“, betont Remzi Can Samsun. „Rund 71 Prozent Wirkungsgrad bei der Wasserstoff-Erzeugung und etwa 63 Prozent bei der Stromerzeugung sind Werte, die mit denen moderner Niedertemperaturelektrolyseure beziehungsweise Niedertemperaturbrennstoffzellen vergleichbar sind oder diese sogar übertreffen.“ Roland Peters ergänzt: „Bindet man die Anlage in Industrieprozesse ein, bei denen Abwärme etwa in Form von Wasserdampf entsteht, so sind noch deutlich höhere Wirkungsgrade möglich – ein weiteres Alleinstellungsmerkmal der reversiblen Technologie.“
Das Festoxidssystem verlor während eines Testbetriebs, bei dem 500-mal zwischen beiden Modi hin- und hergeschaltet wurde, nichts von seiner Leistungsfähigkeit. Es ist Teil der Forschungsaktivitäten des Living Lab Energy Campus, des Reallabors für zukünftige Energiesysteme des Forschungszentrums Jülich.
„Das System hatte nie den Anspruch, in die industrielle Fertigung zu gehen, sondern sollte beweisen, dass die Technologie funktioniert und Leistungen bietet, die für verschiedene Anwendungen interessant sind“, sagt Remzi Can Samsun. Er koordiniert das vom Bundesforschungsministerium geförderte Projekt PHOENIX, in dem unter anderem verschiedene Institute des Forschungszentrums am nächsten Schritt der Festoxidzellentechnologie arbeiten. Die Forscher entwerfen ein neues Stackdesign, damit dieses Kernstück des Systems mit weniger Material und wirtschaftlich attraktiven Verfahren gefertigt werden kann. „Unser Ziel ist der Transfer der reversiblen Festoxidzellentechnologie in die Industrie“, erklärt Remzi Can Samsun. Das ist auch der Grund, warum das System in einen Container integriert wird: So kann es als mobiler Demonstrator dienen, den Unternehmen im Rheinischen Revier in einigen Jahren vor Ort und für ihre Zwecke testen können.
Autor: Dr. Frank Frick
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