Reversible Brennstoffzelle bei 800 °C Betriebstemperatur
Das Energiesystem der Zukunft, das im LLEC schon jetzt aufgebaut wird, basiert auf erneuerbaren und damit fluktuierenden Energiequellen. Dies macht neben der intelligenten Kopplung der Systeme auch die dezentrale Energiespeicherung für eine sichere und klimafreundliche Energieversorgung erforderlich. Um Wasserstoff als Energieträger für die Speicherung erfolgreich einsetzen zu können, ist ein hoher Wirkungsgrad bei der Umwandlung und Speicherung von zentraler Bedeutung. Mit Hochtemperatur-Festoxidwandlern ist es sowohl möglich mit elektrischer Energie per Elektrolyse Wasserstoff zu erzeugen, als auch umgekehrt, als Brennstoffzelle betrieben, Wasserstoff bei Bedarf zu verstromen. Dabei kann derselbe Zellenstapel für beide Betriebsmodi mit sehr hoher Effizienz eingesetzt werden. In diesem Fall wird in der Fachsprache von einer reversiblen Festoxidzelle bzw. rSOC (reversible Solid Oxide Cell) gesprochen. Die eingesetzten Zellen bestehen im Wesentlichen aus einem festen Elektrolyten, der bei hohen Temperaturen durchlässig für Sauerstoffionen ist, und zwei porösen Elektroden über die der elektrische Strom zu- bzw. abgeführt wird.
Im Rahmen des Living Lab Projektes wurde am Forschungszentrum Jülich vom IEK-14 eine solche Anlage aufgebaut. Der eingesetzte Zellenstapel wurde vom ZEA-1 gefertigt. Er hat in Summe eine aktive Zellfläche von 2,6 m². Für den Elektrolysebetrieb beträgt die elektrische Nennleistung 40 kW. Im Brennstoffzellenbetrieb liegt die elektrische Nennleistung bei rund einem Viertel der Elektrolyseleistung.
Während des kürzlich im IEK-14 begonnenen Dauerversuches wurde der Zellenstapel auf seine Betriebstemperatur von 800 °C aufgeheizt. Im Brennstoffzellen Betrieb wurde die Nennleistung bereits erreicht und mit einer erzielten Bruttoleistung von 14,5 kW sogar deutlich übertroffen. Während der nächsten Monate soll eine Reihe wichtiger Betriebsanforderungen an diesem System experimentell unter Beweis gestellt werden. Neben der Demonstration eines hohen Wirkungsgrades steht die Untersuchung des Einflusses einer realitätsnahen Betriebsweise auf die Alterung der Zellen sowie die Reaktionen auf sich dynamisch verändernden Betriebsbedingungen im Mittelpunkt. Mit diesem dynamischen Betrieb könnten rSOC-Systeme in einem Energienetz der Zukunft insbesondere die Charakteristik der Erneuerbaren Energien ausgleichen.
Der praktisch abgas- und geräuschfreie Betrieb prädestiniert die Technik auch für einen dezentralen Einsatz, z.B. in Verbindung mit Abwärmenutzung als BHKW+ (Block-Heiz-und-Speicher-Kraftwerk). Wärmetechnisch erfolgt die Einbindung solcher Anlagen an industrielle Prozesse oder Heizungssysteme, elektrisch an das Stromnetz und gasseitig an ein Speichersystem und/oder Gasnetz. Neben Wasserstoff kann auch Methan verstromt werden. Daher lässt sich nicht nur der Betrieb an einem zukünftigen, auf Wasserstoff umgestellten Gasnetz realisieren, sondern auch der Übergangsbetrieb mit Mischungen aus regenerativem Wasserstoff und fossilem Methan.