Findet ein Elektrolyseprozess bei Temperaturen von über 100 °C statt, wird von der Hochtemperatur-Elektrolyse gesprochen. Durch die Nutzung von Abwärme können höhere Wirkungsgrade als bei der Niedertemperatur-Elektrolyse erzielt werden. Sie bietet daher besonders für die Anbindung an Industrieprozesse, die große Mengen an Abwärme zur Verfügung stellen können, ein großes Potenzial.
Funktionsweise und Aufbau
Die Hochtemperatur-Elektrolyse spaltet im Gegensatz zu den übrigen Verfahren kein flüssiges Wasser, sondern Wasserdampf, in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff auf. Der Prozess findet typischerweise bei Temperaturen zwischen 100 und 1.000°C statt. Zentrale Komponenten hierbei sind die sogenannten Festoxid-Elektrolysezellen (engl. SOEC, Solid Oxide Electrolysis Cells). Bei den Elektrolyten dieser Zellen handelt es sich üblicherweise um keramisches Zirkoniumdioxid, welches durch die Dotierung mit Yttrium leitend für Sauerstoff-Ionen wird. Festoxid-Elektrolyte sind ein hitzebeständiges und verschleißfestes Material und dadurch für die hohen Betriebstemperaturen geeignet.
Vorteile der Hochtemperatur-Elektrolyse
Durch die hohe thermodynamische Energie ist für die Aufspaltung des Wasserdampfes weniger elektrische Energie als für die Aufspaltung von flüssigem Wasser erforderlich. Je höher die Temperaturen des eingespeisten Dampfes, desto höher der Wirkungsgrad der Elektrolyse. Bei heutigen Anlagen können Anlagenwirkungsgrade von über 80 Prozent erreicht werden. Zum Vergleich: Die Anlagenwirkungsgrade der PEM- und der alkalischen Elektrolyse liegen bei 60 bis 70 Prozent. Im Gegensatz zu anderen Elektrolyse-Verfahren benötigt sie keine Edelmetallkomponenten und kann zudem in dem Co-Elektrolyse-Betrieb zur Herstellung von grünem Synthesegas verwendet werden.
Besonders die Kopplung mit Industrieprozessen, die Abwärme von über 200 °C bereitstellen können, bietet sich an. Durch die Einbindung der Abwärme kann Strom zum Beheizen der Anlage eingespart und der Wirkungsgrad erhöht werden.
Nachteile der Hochtemperatur-Elektrolyse
Die Hochtemperatur-Elektrolyse befindet sich noch in der Entwicklungsphase und bedarf weiterer Forschung. Besonders die Belastung des Materials durch die hohen Betriebstemperaturen stellt eine Herausforderung dar. Aktuell liegt eine typische Lebensdauer des Stacks noch bei maximal 20.000 Stunden. Aufgrund des fehlenden Massenmarktes werden die Elektrolyseure bisher als Sonderanfertigungen und in Manufakturbauweise hergestellt und sind dementsprechend kostenintensiv.
Zusammenfassung und Ausblick
Die Entwicklung günstigerer Materialien sowie zukünftige Skaleneffekte werden zu deutlichen Kostenreduktionen führen. Durch den hohen Wirkungsgrad hat die Hochtemperatur-Elektrolyse dann das Potenzial ein wichtiger Bestandteil der zukünftigen Wasserstoffwirtschaft ( siehe Frage des MonatsJuni 2019: „Welche Wasserstoffinfrastruktur braucht die Sektorenkopplung“) zu werden.
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