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Das KIT-ITCP stellt sich vor ...

03.05.2021

Das KIT-ITCP untersucht in MethFuel Festoxidzellen zur Produktion von Wasserstoff

Guten Tag Herr Wehrle, Skizzieren Sie doch bitte kurz die Rolle des ITCP im Verbund MethFuel. Was ist da Ihre Aufgabe?

Das Arbeitspaket zur SOEC-Elektrolyse führen wir in enger Zusammenarbeit mit EIfER durch. Primäres Ziel ist dabei, die aussichtsreiche Stellung der SOEC für die EE-Methan-Erzeugung hervorzuheben und die Anlagen-Performance mithilfe von numerischen Simulationen zu optimieren – und zwar durch das thermische Ankoppeln der Anlage an die katalytische Methanisierung. Der grundlegende Beitrag des Lehrstuhls von Prof. Deutschmann am KIT-ITCP besteht dabei in der Entwicklung von detaillierten SOEC-Stack-Modellen, welche wir basierend auf experimentellen Zelluntersuchungen EIfERs aufbauen. Zur fruchtbaren Zusammenarbeit betreiben EIfER und wir das gemeinsame, am ITCP angesiedelte Labor ENERMAT (Energetic Materials).

Im Projektablauf beginnen wir mit der Adaption eines Einzelzellmodells, das direkt an die experimentellen Messbedingungen EIfERs angepasst ist. Dieses Modell wird dann umfassend kalibriert und validiert. Wir prüfen also, ob das Modell auch tatsächlich das ausgibt, was die Messungen in der Realität ergeben. Beispielsweise lassen wir das Einzelzellmodell elektrochemische Strom-Spannungs-Kurven reproduzieren. Damit wir ein möglichst realistisches Abbild der porösen Elektrodenstrukturen in unserem Modell erreichen, nutzen wir auch Einblicke aus elektronenmikroskopischen Charakterisierungen EIfERs. Nachdem wir unser Einzelzellmodell etabliert haben, führen wir ein Scale-Up auf das Stack-Level durch. Dort analysieren wir die Stack-Performance unter verschiedenen Betriebsbedingungen, um für den SOEC-Stack attraktive Betriebsbedingungen zu identifizieren. Mit den so identifizierten optimalen Betriebsbedingungen haben wir es dann im letzten Schritt einfacher: Dort wird das Stack-Modell wiederum an EIFER übergeben und in PtM-Anlagenkonzepte integriert, um die Gesamt-Prozesskette unter möglichst anwendungsnahen Bedingungen zu optimieren.

Ist ein so hoher Detaillierungsgrad überhaupt nötig, wenn später ohnehin nicht Einzelzellen, sondern ein ganzer Stack oder sogar ein größeres System betrachtet wird?

Wir können das mit einem klaren Ja beantworten, weil eben auch die Mikrostruktur und die Zellmaterialien enormen Einfluss auf die Performance haben. Da geht es nicht nur um ein oder zwei Prozent mehr oder weniger, sondern das hat einen sehr hervorgehobenen Einfluss. Die Vorgehensweise bzw. Erwartung dabei ist, dass wir unser Einzelzellenmodell so akkurat parametrisieren und validieren, dass wir damit auch auf Stack-Level die Performance prognostizieren können. So ließe sich der Bedarf an kostspieligen experimentellen Aufbauten komplexer Systeme reduzieren.

Was ist das Besondere an Ihrem Modell?

Die physikalisch-chemischen Phänomene, die in so einer Zelle ablaufen, sind sehr vielfältig und komplex. Diese Vielfältigkeit muss sich letztendlich auch in der mathematischen Formulierung eines solchen physikalischen Modells widerspiegeln. Aus diesem Grund wurde das Modell und die Software DETCHEMSOC innerhalb der letzten 15 Jahre bei uns kontinuierlich weiterentwickelt. Beispielsweise kann man die elektronischen und ionischen Profile innerhalb einer Zelle sowie die Einflüsse der einzelnen elektrochemischen Reaktionen in anderen kommerziell erhältlichen Softwaretools nicht so gut abbilden.

Was können Sie zu dem Projekt beitragen, was sonst vielleicht keine oder wenige Partner in Deutschland könnten? Ist es gerade der Detaillierungsgrad Ihres Modells?

Genau, das ist zunächst mal der Detaillierungsgrad. Es gibt zwar auch andere Arbeitsgruppen, die gute Modelle von Einzelzellen entwickelt haben. Aber gerade was das nachfolgende Scale-Up auf das Stack-Level anbetrifft, erreichen wir mit der Struktur unseres Codes und durch Software-Kopplung einen sehr geringen Informationsverlust im Vergleich zum Einzelzell-Modell. Durch Implementierung geeigneter Algorithmen können wir auch den Zuwachs an Rechenzeit stark eingrenzen.

Was ist aus Ihrer Sicht der Vorteil der SOEC-Technologie innerhalb einer PtG-Prozesskette gegenüber anderen Elektrolysetechnologien?

Die SOEC hat den fundamentalen thermodynamischen Vorteil, dass sie bei einer höheren Temperatur durchgeführt wird. Ein Teil der für die Wasserspaltung nötigen Gesamtenergie kann als Wärme zugeführt werden, wodurch der elektrische Energiebedarf bei höherer Temperatur entsprechend sinkt. Deswegen liegt der elektrische Wirkungsgrad der SOEC im Bereich 90 bis 100 %, was schon sehr beachtlich ist, gerade auch im Vergleich zu den Niedertemperatur-Elektrolysetechnologien. Außerdem hat die SOEC vielversprechende Perspektiven hinsichtlich Investitionskosten, was Materialbedürfnisse anbetrifft. Der volumenbezogen größte Anteil in so einem SOEC-Stack sind meist die Interkonnektoren aus Stahl, und die keramischen Elektrodenmaterialien benötigen keine Edelmetalle.

Zwar ist die SOEC nicht so ausgereift wie beispielsweise die alkalische Elektrolyse oder die PEM. Jedoch hat man innerhalb der letzten 10 - 15 Jahre die Degradation ungefähr um den Faktor 100 verringern können, bei einem gleichzeitigen Performance-Zuwachs um ungefähr einen Faktor zwei bis drei. Hinsichtlich der zukünftigen Entwicklung sind diese Zahlen sehr vielversprechend.

Die SOEC wird bei höheren Temperaturen durchgeführt. Können Sie das eingrenzen?

Da gibt es eine Interaktion verschiedener Effekte. Den prinzipiellen Vorteil eines geringeren elektrischen Energiebedarfs sieht man auch schon bei der für die SOEC vergleichsweise niedrigen Temperaturen von 600 °C. Der Effekt verstärkt sich zwar bei noch höheren Temperaturen, aber man muss dann natürlich einige Nachteile in Kauf nehmen: Einerseits werden robustere und teurere Materialien notwendig, andererseits verlängern sich auch die Start-Up-Zeiten des SOEC-Moduls, bis das System bei den hohen Temperaturen angelangt ist.

Aus diesem Grund werden auf Seiten EIfERs auch verschiedene Zelldesigns getestet, die für unterschiedliche Temperaturen ausgelegt sind: Die eine eher so in Richtung 850 °C, die andere in Richtung 650 °C. Beide Zell-Typen werden dann in unsere Simulationen implementiert und deren Performance abgebildet.

Wenn Sie sich ein Jahr in die Zukunft versetzen und dann zurückblicken: das Projekt ist erfolgreich abgeschlossen. Woran würden Sie denn bemerken, dass es erfolgreich war?

Für uns ist das Projekt erfolgreich abgeschlossen, wenn wir einerseits das große Potenzial der SOEC-Technologie für die EE-Methan-Erzeugung in Deutschland und in Europa klar herausstellen und auch quantifizieren könnten. Eine erfolgreiche Entwicklung von Handlungsempfehlungen für die Akteurslandschaft aus den Projekterkenntnissen wird den Erfolg untermauern. Für uns als Institut sehen wir außerdem einen Erfolg darin, im Rahmen des Projektes unsere Modelle weiter zu entwickeln und zu verfeinern, sowie den Mehrwert der Nutzung von detaillierten Modellen auch für Prozess-Simulationen auf Systemebene herauszustellen.

Gesamtkoordination:

MTU Friedrichshafen GmbH
Maybachplatz 1
88045 Friedrichshafen

 

DVGW-Forschungsstelle am Engler-Bunte-Institut
des Karlsruher Instituts für Technologie

Engler-Bunte-Ring 1 – 9
76131 Karlsruhe