ENTWICKLUNG EINES VIRTUELLEN SOE-SYSTEMS FÜR DEN CO-ELEKTROLYSEBETRIEB
Hochtemperatur-SOECs (Solid Oxide Electrolysis Cells) bieten eine vielversprechende Lösung für den Klimawandel, indem sie grünen Wasserstoff als erneuerbaren Energieträger produzieren und durch hohe Betriebstemperaturen eine hohe Effizienz der Wasserelektrolyse erreichen. Im Co-Elektrolysebetrieb erzeugen sie zudem aus H2O und CO2 Synthesegas, was die Integration in chemische Syntheseprozesse und die effiziente Herstellung zukünftiger Kraftstoffe ermöglicht. Herausforderungen wie begrenzte Lebensdauer, unzureichende Systemstudien und hohe Investitionskosten erschweren derzeit noch die kommerzielle Anwendung.
Im CoGen-Projekt wird ein virtuelles SOE-System entwickelt, das ein elektrochemisches SOEC-Modell mit Simulationsmodellen für Nebenaggregate kombiniert. Das elektrochemische Modell berechnet die Strom-Spannung-Beziehung und die Synthesegas-Zusammensetzung durch numerische Lösung chemischer und elektrochemischer Vorgänge. Das modular konzipierte virtuelle SOE-System ermöglicht eine effiziente Analyse verschiedener Systemtopologien, wodurch Thermomanagement und Effizienz der SOE-Anlage verbessert werden. Verschiedene Szenarien für die industrielle Integration, einschließlich Kopplung mit CO2-Quellen, Abwärme und Anschluss an das Stromnetz, wurden untersucht und eine techno-ökonomische Analyse durchgeführt. Diese Analyse definierte potenzielle SOEC Anwendungsfälle, wie die chemische oder E-Fuel Synthese, die mit dem virtuellen SOE-System detailliert untersucht werden können.
Zur Untersuchung der Degradation, eine der zentralen Herausforderungen von SOEC, wird eine Matrix entwickelt, die die Hauptdegradationseffekte auf Zellkomponenten und den Einfluss von Betriebsparametern gegenüberstellt. Physikalische Modelle werden im elektrochemischen SOEC-Modell integriert, um Langzeiteffekte zu analysieren und Maßnahmen zur Vermeidung Lebensdauer-begrenzender Bedingungen zu ermitteln.
Das elektrochemische SOEC-Modell sowie Nebenverbraucher-Modelle wurde für verschiedene Zellkonfigurationen anhand der Literatur und im Projekt durchgeführter Tests validiert.
Auswirkung und Bedeutung
Das neu entwickelte virtuelle SOE-System ermöglicht die Untersuchung der SOEC-Technologie von der Einzelzelle bis zur Systemebene unter verschiedenen Betriebsbedingungen, auch unter Berücksichtigung von Degradation. Im CoGen-Projekt wird es zur Entwicklung von Betriebsstrategien für einen sicheren, hocheffizienten SOEC-Betrieb eingesetzt. Systemdynamiken wie Start/Stopp oder Lastwechsel werden bewertet und optimiert, um die Lebensdauer zu verlängern. Es ermöglicht eine Optimierung von Systemauslegung und Wärmemanagement, sowie der Entwicklung von Betriebsstrategien unter Berücksichtigung verschiedener Integrations-szenarien und fluktuierender Stromerzeugung. Die Ergebnisse fließen direkt in CoGen ein, wo ein ~ 6 kW SOEC-System entwickelt und gebaut wird. Durch iterative Validierung und Optimierung werden das reale und das virtuelle SOE-System weiterentwickelt, um die SOEC-Technologie zu verbessern und deren Kommerzialisierung voranzutreiben.
Projektpartner
- Andritz AG, AUT
- Energienetze Steiermark, AUT
- OMV Downstream, AUT
- Miba, AUT
- Technische Universität Graz (IWT, ITnA), AUT