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Hochtemperatur-Elektrolyse macht es möglich

Wirtschaftlicher Power-to-Gas-Prozess mit 85 Prozent Wirkungsgrad

22. April 2014, 13:39 Uhr | Heinz Arnold

Prof. Dimosthenis Trimis, KIT: »Die Aufnahme im Erdgasnetz ist also stark eingeschränkt. Mit Methan fällt diese Beschränkung völlig weg – und mit unserer Methode obendrein noch so, dass dies nicht auf Kosten des Wirkungsgrades geht.«

Wirkungsgrade von über 85 Prozent für die Prozesskette von der Elektrolyse bis zur Methanisierung zu erzielen – das ist das Ziel von Prof. Dimosthenis Trimis, Koordinator des EU-Projektes HELMETH am KIT: »Das ist realistisch, weil wir die Prozesse thermisch koppeln, was bisher noch niemand getan hat.«

Energie & Technik: Bisher lag der Wirkungsgrad, der sich über die Prozesskette von der Wasserstofferzeugung per Elektrolyse bis zur Methanisierung erzielen lässt, bei höchstens 60 Prozent. Wie wollen Sie den Sprung auf über 80 Prozent schaffen?

Prof. Dimosthenis Trimis: Bei der Elektrolyse muss auf jeden Fall die Mindestenergie für die Trennung von Wasserstoff und Sauerstoff, also für die chemische Potenzialdifferenz zwischen Wasser und seinen Bestandteilen Sauerstoff und Wasserstoff in Form von elektrischer Energie aufgebracht werden. Weil die beiden Reaktionsprodukte aber im gasförmigen Zustand vorliegen, muss, beim flüssigen Wasser als Ausgangsstoff, auch noch die Energie für die Verdampfung des Wassers aufgebracht werden. Das macht immerhin mehr als 14 Prozent der für die Elektrolyse insgesamt benötigten Energie aus. Die Elektrolyse bei niedrigen Temperaturen kommt im Labor auf einen Wirkungsgrad von bis zu 80 Prozent, in der Praxis auf 70 bis 75 Prozent. Ein Großteil der Verluste geht also auf das Konto der Verdampfung. Gleich mit Dampf anzufangen bringt also einen erheblichen Vorteil. Deshalb setzen wir auf die Hochtemperatur-Elektrolyse und koppeln sie auch thermisch mit dem Methanisierungsprozess, um auf einen Gesamtwirkungsgrad für die Wandlung zum Methan von 85 Prozent zu kommen.

Warum hat die Hochtemperatur-Elektrolyse bisher relativ wenig Beachtung bekommen?

In den 90er Jahren haben sich Firmen und Forschungsinstitute schon einmal mit der Hochtemperatur-Elektrolyse befasst und es konnte damals gezeigt werden, dass sich damit Wasserstoff bei Wirkungsgraden von über 90 Prozent herstellen lässt. Dann schlief das Interesse daran langsam ein, ganz einfach weil es keinen Bedarf an Elektrolyse im großen Maßstab gab. Immerhin betreibt das Idaho National Laboratory in den USA über Jahrzehnte Forschung zur Hochtemperatur-Elektrolyse und hat demonstriert, dass der Betrieb über mehrere Tausend Stunden funktioniert.

Und jetzt wächst das Interesse an der Hochtemperatur-Elektrolyse plötzlich wieder?

Ja, und zwar aus zwei Gründen: Erstens steigt der Bedarf, weil Power-to-Gas bzw. Power-to-Liquids verspricht, Energie im großen Maßstab speichern zu können. Zweitens haben die Hochtemperatur-Brennstoffzellen, die SOFCs, über die vergangenen zehn Jahre enorme Fortschritte gemacht. Die keramischen Materialien für den Stack der Brennstoffzellen sind marktreif, es gibt ja bereits zahlreiche SOFCs auf dem Markt zu kaufen. Weil ein Elektrolyseur SOEC im Prinzip eine umgekehrte Brennstoffzelle ist, profitiert die Hochtemperatur-Elektrolyse davon.

Also sind die Probleme der Hochtemperatur-Elektrolyse praktisch gelöst?

Keineswegs, denn in der Praxis sind die Bedingungen in einem Elektrolyseur und in einer Brennstoffzelle doch unterschiedlich. Deshalb müssen die Schichten des Stacks im Elektrolyseur speziell angepasst werden. Innerhalb des HELMETH-Projekts kümmert sich die Firma Sunfire GmbH um den Hochtemperatur-Elektrolyseur. Wir beschäftigen uns mit der Methanisierungseinheit und der thermischen Kopplung des anschließenden Methanisierungsprozesses.