Kurzbeschreibung
Die Speicherung von großen Mengen an Überschussenergie ist durch den steigenden Anteil von Strom aus regenerativen, teils stark fluktuierenden Energiequellen ein Schlüsselfaktor in der Energiewende. Mit den Energiesystemen nach dem derzeitigen Stand der Technik lässt sich elektrische Energie allerdings nur in einem eingeschränkten Ausmaß speichern. Daher sind neue innovative Speichertechnologien, wie Elektrolyse und/oder Power-to-Gas notwendig. Hochtemperaturelektrolysezellen (SOECs) stellen eine der effizientesten und nachhaltigsten Technologien zur Umwandlung von elektrischer Energie in Wasserstoff bzw. Synthesegas dar. Im Gegensatz zu anderen Elektrolysetechnologien wie z.B. die alkalische Elektrolyse ist für SOEC-Systeme die breite Markteinführung jedoch noch nicht erfolgt.
Der Designansatz für SOEC-Zellen nach dem Stand der Technik basiert stark auf experimentellen Untersuchungen. Die Ergebnisse werden üblicherweise als Basis für Material- und Mikrostrukturvariationen zur schrittweisen Verbesserung der Zellen herangezogen. Obwohl neben der elektrochemischen Charakterisierung auch Arbeiten zur mikrostrukturellen Charakterisierung der Zellen, ebenso wie Modellierungen/Simulationen, durchgeführt werden, stehen die jeweiligen Ergebnisse oft in einem isolierten Kontext, so dass neues Wissen zwar generiert - aber nicht genutzt wird.
Die Motivation für das Projekt "Design-SOEC" ist die Notwendigkeit eines neuen Entwicklungsansatzes für SOECs, welcher Kompetenzen im Bereich der Elektroden-/Zellpräparation und der elektrochemischen Charakterisierung mit detaillierten mikrostrukturellen Analysen und umfassenden Simulationen bündelt.
Das übergeordnete Ziel des Projekts ist die Entwicklung eines wissensbasierten Designansatzes für SOECs mit optimierten Kernkomponenten und verbesserter Zuverlässigkeit, Energieeffizienz und Lebensdauer. Der Designansatz soll insbesondere auch die Skalierbarkeit der Ergebnisse von Untersuchungen an Knopfzelle auf Zellen im industrierelevanten Maßstab ermöglichen.
Ziel 1: Senkung der Kosten und Unabhängigkeit von kritischen Rohstoffen
• Kritische Rohstoffe (z.B. Co, Sr) in den SOEC-Anoden sollen durch nachhaltige und umweltfreundliche Materialien (z.B. Fe und Ca) ersetzt werden, wodurch sich als weiterer Effekt auch um 20% geringere Rohstoffkosten ergeben.
Ziel 2: Steigerung der Leistungsfähigkeit und Langzeitstabilität
• Ziel im Projekt ist es, bei gleicher Spannung die maximal erreichbare Stromdichte um 50% zu steigern.
• Ziel im Projekt ist es, bei definierter Stromdichte (z.B. -600 mA/cm²) eine Reduktion der Degradationsrate um 50% zu erreichen.
Ziel 3: Digitalisierungsmethoden zur Beschleunigung der Entwicklung von SOECs
• Für einzelne prozessrelevante Entwicklungsschritte wird durch die Digitalisierung/Virtualisierung durch Modellierung/Simulation eine Beschleunigung von >35% erwartet.