HTCoEl – Kompakte Synthesegaserzeugung durch
Hochtemperatur-Coelektrolyse

Effizientere Hochtemperatur-Coelektrolyse

Wie können Flugzeuge nachhaltig fliegen? Wie werden zukünftig Chemikalien ohne fossile Rohstoffe hergestellt? Mit Power-to-X-Prozessen, bei denen aus erneuerbarem Strom mittels Elektrolyse Synthesegas hergestellt wird. Synthesegas, ein Gasgemisch aus Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid, wird in nachgeschalteten Synthesen in e-Treibstoffe wie e-Diesel und e-Kerosin oder in e-Chemikalien wie e-Methanol umgewandelt. Durch die Hochtemperatur- Elektrolyse entsteht aus Wasserdampf, sauberem Strom und CO₂ direkt Synthesegas. Mit dieser wirtschaftlichen Power-to-X-Technologie können auch die Treibhausgasemissionen von schwer elektrifizierbaren Bereichen der Chemieindustrie sowie dem Flug-, Schiffsund Schwerlastverkehr reduziert werden. Die Kerntechnologie der Hochtemperatur-Coelektrolyse
stellen sauerstoffionenleitende Festoxidzellen dar. Diese wurden bisher kontinuierlich weiterentwickelt, um künftig Elektrolyseure für den Megawatt-Maßstab bereitstellen zu können. Im Projekt „HTCoEl“ will das Forschungsteam dafür Balance-of-Plant (BoP)-Komponenten wie Wärmeübertrager, Heizer, chemische Reaktoren und Sensorikelemente entwickeln und in einem optimierten Hochtemperatur-Coelektrolyseurmodul erproben. So will es Kosteneffizienz, Langlebigkeit und Betriebssicherheit der Technologie steigern.

Effizienz in drei Schritten

Das Vorhaben besteht aus drei Arbeitspaketen. Im Paket „Komponentenentwicklung“ entstehen ein Heizer, ein RWGS-Reaktor sowie ein Wärmeübertrager. Diese sind für die Einstellung von Temperatur und Zusammensetzung der Eingangs- und Ausgangsgase des Prozesses notwendig. Dabei steht die Beständigkeit der Materialien unter hohen Temperaturen und aggressiver Medienumgebung sowie
die effiziente Herstellbarkeit im Vordergrund. Im Arbeitspaket „Detailentwicklung StackUnit“ werden
elektrische Durchführungen, galvanische Isolierungen sowie eine Sensorik zur Erfassung des Betriebszustands der StackUnit entwickelt. Dabei sollen temperaturbeständige, gasdichte und kostengünstige Lösungen bis 900 Grad Celsius gefunden werden. Im Arbeitspaket „Systemintegration und -analyse“ werden die entwickelten Komponenten in einem Hochtemperatur-Coelektrolyseurmodul getestet. Eine begleitende Systemsimulation zur Optimierung der Betriebsführung wird durchgeführt.

Wissenschaftliche und wirtschaftliche Ergebnisse

Das „HTCoEl“-Konsortium besteht aus zwei Unternehmen und drei Forschungseinrichtungen. Sunfire, als Elektrolyseurproduzent, ist Vorhabenkoordinator, für die Anforderungsdefinition sowie die Begleitung der Entwicklungsaufgaben und Systemintegration und -tests zuständig. Sandvik als Schlüssellieferant für Heizertechnologien und das DECHEMA-Forschungsinstitut entwickeln die Komponenten im ersten Arbeitspaket. Die Technische Universität Dresden, Professur für Wasserstoff und Kernenergietechnik, optimiert die Gasdichtheit von elektrischen Durchführungen und die galvanische Trennung der Stacks im zweiten Arbeitspaket. Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), Institut für Technische Thermodynamik, untersucht ein Hochtemperatur- Coelektrolyseurmodul experimentell und führt
die begleitende Simulation durch. Entstehen soll ein hochintegriertes Hochtemperatur-Coelektrolyseurmodul, dessen industrielle, kostengünstige BoP-Komponenten sehr eng am Stack-Modul integriert sind. Dadurch entsteht ein kompaktes, leistungsdichtes System mit hohem Wirkungsgrad, das eine Überführung in ein industriell wettbewerbsfähiges Produkt zulässt.
Darüber hinaus werden Ergebnisse zur Lebensdauerabschätzung und Anforderungen an Toleranzen für eingesetzte Komponenten in E-Prozessheizern zur Überhitzung von Gasen vorliegen. Zudem ist geplant, die wissenschaftliche Know-how-Lücke zu SOC-Multi-Reaktor-Modulen zu schließen, die Entwicklung von hochtemperaturstabilen Glas- und Glas-Keramik-Dichtungen voranzutreiben und den Erkenntnishorizont auf dem Gebiet der Hochtemperaturkorrosion zu erweitern.

HTCoEl-Projektblatt zum Download