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H₂ Enegiespeicher mit rSOC

Composite air electrodes based on BaCe0.7Zr0.1Y0.1Yb0.1O3−δ for reversible Solid Oxide Cells

Abstract

Reversible solid oxide cells—devices that interconvert electricity and chemical fuels—commonly use composite air electrodes combining oxygen-ion-conducting Gd0.1Ce0.9O2–δ (GDC) with an electronically conductive catalyst to maximize the three-phase boundaries and minimize interfacial resistance. Despite the effectiveness of this architecture, performance improvements have plateaued. Here, we demonstrate that replacing GDC with mixed proton-, oxygen-ion- and hole-conducting BaCe1−xZrxO3-based materials (for example, BaCe0.7Zr0.1Y0.1Yb0.1O3−δ, BCZYYb7111) balances the electronic and ionic conductivity of the composite electrode, altering the reaction pathway to a lower-barrier rate-determining-step, and expanding the electrochemically active region to the entire electrode surface. In a configuration where the highly active misfit-layered Gd0.3Ca2.7Co3.82Cu0.18O9−δ catalyst is composited with BCZYYb7111, the reversible solid oxide cell achieves 7.08 W cm−2 in fuel-cell mode and –7.88 A cm−2 at 1.3 V in electrolysis mode using an yttria-stabilized zirconia electrolyte at 800 °C. This compositing strategy also enhances the performance of other popular oxygen electrocatalysts.

Bedeutung der Formel BaCe0.7Zr0.1Y0.1Yb0.1O3−δ

Diese chemische Formel beschreibt ein komplexes Metalloxid mit einer Perowskit-Struktur, das vor allem in der Materialwissenschaft und der Wasserstofftechnologie (z. B. für Hochtemperatur-Brennstoffzellen oder Protonenkeramik-Zellen, PCFCs) als protonenleitender Elektrolyt eingesetzt wird.

H₂-Energiespeicher mit rSOC: Der Gamechanger für die Energiewende?

Reversible Festoxidzellen (rSOC – Reversible Solid Oxide Cells) gehören zu den faszinierendsten Technologien im wissenschaftlichen Fokus, weil sie das fundamentale Effizienzproblem von Wasserstoff lösen können. Ein fundierter Fachaufsatz im renommierten Journal Nature Energy – Reversible Solid Oxide Cells) gehören zu den faszinierendsten Technologien im wissenschaftlichen Fokus, weil sie das fundamentale Effizienzproblem von Wasserstoff lösen können. Ein fundierter Fachaufsatz im renommierten Journal Nature Energy liefert hierfür die perfekte wissenschaftliche Grundlage. [1, 2]

In der Debatte um die Wasserstoff-Wirtschaft fällt immer wieder ein grosses Argument der Kritiker: Der schlechte Wirkungsgrad bei der Umwandlung von Strom zu Gas und zurück zu Strom. Doch eine technologische Innovation, die regelmässig die Spitzenplätze in führenden Fachjournalen wie Nature Energy belegt, könnte dieses physikalische Dilemma bald lösen: Reversible Solid Oxide Cells (rSOC). [1, 2]

Was wie Science-Fiction klingt, ist im Kern ein hocheffizientes, elektrochemisches All-in-one-System. Es verwandelt die grüne Energiewelt von Grund auf. [1]

🔎 Was genau ist ein rSOC-System?

Herkömmliche Wasserstoff-Systeme benötigen zwei separate, teure Geräte: einen Elektrolyseur, um aus Strom Wasserstoff herzustellen, und eine Brennstoffzelle, um aus dem Wasserstoff später wieder Strom zu gewinnen. [1, 2]

Ein rSOC-System bündelt beide Funktionen in einem einzigen Apparat: [1, 2]

  • Modus 1 (SOEC – Elektrolyse): Gibt es im Sommer einen massiven Überschuss an Solar- oder Windstrom, spaltet die Zelle Wasserdampf hocheffizient in reinen Wasserstoff und Sauerstoff auf. Der Wasserstoff wird als Langzeitspeicher für den Winter komprimiert oder in Feststoffspeichern gelagert. [1, 2, 4]
  • Modus 2 (SOFC – Brennstoffzelle): Herrscht im Winter eine «Dunkelflaute» und das Stromnetz droht einzubrechen, schaltet dieselbe Zelle einfach in den Rückwärtsgang. Sie verbrennt den gespeicherten Wasserstoff rückstandslos und liefert sofort wieder sauberen Strom und Wärme. [1, 3]

📈 Der «Nature Energy»-Vorteil: Bis zu 80 % Wirkungsgrad durch Abwärme

Warum sorgt rSOC in der Wissenschaft für so viel Aufsehen? Das Geheimnis liegt in der Betriebstemperatur. rSOCs arbeiten im Hochtemperaturbereich zwischen 600 °C und 900 °C. [1]

Während herkömmliche Niedertemperatur-Elektrolyseure viel Energie ungenutzt als Abwärme an die Umwelt verlieren, nutzt die rSOC-Technologie diese extreme Hitze clever aus: [1]

  1. Im Brennstoffzellen-Modus entsteht ohnehin Hitze, die für industrielle Prozesse oder Nahwärmenetze ausgekoppelt werden kann.
  2. Im Elektrolyse-Modus wird diese Wärme genutzt, um Wasser vorzuheizen. Weil dampfförmiges Wasser deutlich weniger elektrische Energie zur Spaltung benötigt als flüssiges Wasser, schießt der Wirkungsgrad massiv in die Höhe. [1, 2, 3, 4]

Wissenschaftliche Analysen zeigen, dass rSOC-Systeme bei optimaler Wärmeintegration einen Gesamtwirkungsgrad (Round-Trip Efficiency) von bis zu 80 % erreichen können. Das schlägt die herkömmliche Wasserstoff-Kette um Längen und macht das reine Schöpfungselement Wasserstoff ökonomisch absolut konkurrenzfähig. [1, 2, 3]

⚠️ Die Hürden bis zur Marktreife

Obwohl die Technologie genial ist, kämpft sie laut den Forschungsberichten noch mit zwei Herausforderungen: [1]

  • Materialstress: Der ständige Wechsel zwischen Laden (Abkühlung/chemische Reduktion) und Entladen (Erhitzen/Oxidation) beansprucht die keramischen Hochleistungs-Elektrolyte enorm. [1, 2]
  • Investitionskosten: Die extrem hitzebeständigen Materialien sind in der Herstellung noch teuer. Hier braucht es die industrielle Massenfertigung, um die Preise für den Mittelstand und Kommunen drastisch zu senken. [1, 2]

💡 Fazit für die Energiewende

Die rSOC-Technologie zeigt eindrücklich, dass die physikalischen Grenzen von Wasserstoff nicht in Stein gemeisselt sind. Wenn wir aufhören, Milliarden in die fossile Verbrennung der Vergangenheit zu stecken, und stattdessen diese hocheffizienten All-in-one-Systeme fördern, hat der Mensch ein mächtiges Werkzeug in der Hand. Es ist an der Zeit, die Technologie aus den Laborberichten von Nature Energy auf die Dächer und in die Industriegebiete der Schweiz zu bringen! [1, 2, 3, 4]

Weitere Hinweise und Quellen

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Feste H₂-Speicherung mit Magnesiumhydrid (MgH₂)

Finalist beim Europäischen Erfinderpreis 2023

Jomi Leman is a company that patents an electrochemical device for the storage of hydrogen. Michel Jehan, President and CEO of Jomi Leman and co inventor Daniel Fruchart, direction recherche Jomi Leman and co inventor Nathalie Skryabina, direction recherche Jomi Leman and co inventor Albin Chaise, co inventor Patricia Derango, CNRS, institut NEEL, co inventor.

Wasserstoff spielt eine Schlüsselrolle bei der Energiewende. Er liefert dreimal soviel Energie wie fossile Brennstoffe. Allerdings benötigt er dafür auch mehr Platz, und um ihn zu komprimieren und zu speichern, braucht man mehr Energie. Das multidisziplinäre französische Team Patricia de Rango, Daniel Fruchart, Albin Chaise, Michel Jehan und Nataliya Skryabina hat einen Weg gefunden, Wasserstoff sicher und effizient in fester Form zu speichern und dadurch die Lagerung und den Transport zu erleichtern. Für ihre vielversprechende Arbeit wurde das französische Team aus mehr als 600 Kandidatinnen und Kandidaten für den Europäischen Erfinderpreis 2023 in die Riege der Finalisten in der Kategorie „Forschung“ gewählt.

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Fester H₂-Speicher – die Lösung für den Campus

ETH Zürich verwendet eine reversible Methode, um Wasserstoff H₂ sicher und langfristig zu speichern.

Bis 2050 soll Photovoltaik über 40 Prozent des Schweizer Strombedarfs decken. Doch Solarstrom fliesst nicht immer dann, wenn man ihn braucht: Im Sommer gibt es zu viel davon und im Winter, wenn die Sonne seltener scheint und Wärmepumpen auf Hochtouren laufen, zu wenig. Gemäss der Energiestrategie des Bundes will die Schweiz die Winterstromlücke mit einer Kombination aus Importen, Wind- und Wasserkraft sowie durch alpine Solaranlagen und Gaskraftwerke schliessen.

Eine Möglichkeit, den Anteil der Importe und von Gaskraftwerken im Winter möglichst klein zu halten, ist die Produktion von Wasserstoff aus günstigem Solarstrom im Sommer, der dann im Winter verstromt werden könnte. Doch Wasserstoff ist hochentzündlich, extrem flüchtig und macht viele Materialien spröde. Um das Gas vom Sommer bis in den Winter zu speichern, sind spezielle Druckbehälter und Kühltechniken erforderlich. Diese benötigen viel Energie und der Bau der Speicheranlagen ist aufgrund der vielen Sicherheitsvorkehrungen sehr teuer. Zudem sind Wasserstofftanks nie ganz dicht, was die Umwelt belastet und zusätzliche Kosten verursacht.

Wendelin Stark, ETH-Professor für funktionale Materialien am Departement Chemie und Angewandte Biowissenschaften, haben nun eine neue Speichertechnik entwickelt, um Wasserstoff saisonal zu speichern. Diese Art der Speicherung ist viel sicherer und günstiger als bestehende Lösungen. Dazu nutzen die Forschenden eine bekannte Technologie und das vierthäufigste Element der Erde: Eisen.

Fig. 1 (a) Mismatch between the annual PV production and electricity demand in Switzerland in 2017. The production and demand are both normalized to their annual average values, corresponding to a future situation where production and demand are equal (100% on the horizontal axis in b). (b) Self-sufficiency in winter (defined as the time duration that solar PV and storage could cover the electricity need from Dec to Feb) as a function of installed PV capacity. Three cases are presented: no storage; with day–night storage (e.g. batteries in households); and with both day–night and seasonal storage (detailed calculation in ESI Notes 2–3†). (c and d) Schematic representation of iron-based seasonal energy storage. => Safe seasonal energy and hydrogen storage in a 1 : 10 single-household-sized pilot reactor based on the steam-iron process.
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Fester H₂-Speicher – die Lösung für zu Hause

Wir «backen» uns einen Wasserstoffspeicher wie eine einfache Zutat wie Natron, die die Energiewende befördert

Noch immer suchen Forscher nach einem idealen Weg zur sicheren und stabilen Speicherung von Wasserstoff, dem Hoffnungsträger der Energiewende. Wie sich dieses flüchtige und brennbare Gas gefahrlos und mit einfachen „Zutaten“ bändigen lässt, darüber berichten Forscher vom Leibniz-Institut für Katalyse in Rostock, LIKAT, und der Firma H2APEX in der jüngsten Ausgabe von NATURE COMMUNICATION.

Sie entwickelten gemeinsam ein homogenes Katalysatorsystem, mit dem sie Wasserstoff (H₂) an Kaliumbikarbonat binden und auf diese Weise sicher und stabil chemisch speichern können. Bikarbonat ist ein Salz der Kohlensäure, landläufig als Backpulver oder Natron bekannt.

A Green hydrogen pathway from production to utilization. Excess energy from renewable sources can be used to electrolyze water. The hydrogen can then be chemically stored in so called hydrogen carriers (HC) and released using suitable catalysts. Finally, energy can be recovered via combustion or fuel cell5. B Overview of volumetric and gravimetric energy densities for various energy carriers30,31. C Chemical hazards of loaded HC compared to H2. [1] Hazardous symbols are listed for DBT. => Nature Communication
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Jules Verne 1874: «Wasser ist die Kohle der Zukunft»

Was bedeuten die Elemente O₂ und H₂ für die Energiewende?

«Wasser ist die Kohle der Zukunft» hat Jules Verne in seinem Roman «Die geheimnisvolle Insel» 1874 geschrieben und ist heute immer noch Zukunft. Ob er wohl damit gerechnet hat, dass es bis zur Zukunft bald schon anderthalb Jahrhunderte dauert? Viele Länder der Erde haben sich auf den letzten Konferenzen zum Kampf gegen den Klimawandel bekannt. Die Ausbeutung und der Missbrauch fossiler Brennstoffe wie Kohle, Erdöl und Erdgas soll zurückgefahren werden, um etwa bis Mitte des Jahrhunderts «klimaneutral» zu sein. Dabei soll endlich ein Element an Bedeutung gewinnen, über welches die Menschheit in kläglicher und beschämender Weise jahrhundertelang darüber hinweg stolpert(e): das chemische Element Wasserstoff H₂, welches am meisten in unserem Universum vorkommt. Wäre das nicht eine Chance für Europa oder überlassen wir diese Ressource wieder «den anderen zur Ausbeutung und zum Missbrauch»?

Die Investigativ Sendung MDR WISSEN zeigt, was Wasserstoff wirklich leisten könnte und was das Element H₂ für die Energiewende beispielsweise aber nicht nur in Deutschland bedeuten könnte. Wasserstoff ist vierzehnmal leichter als Luft, unsichtbar und geruchlos. Um das Element «fassbar» zu machen, begab sich die MDR-WISSEN-Reporterin Daniela Schmidt auf eine «Reise» quer durch Deutschland. Der Film zeigt, wo Wasserstoff in Zukunft eine Rolle spielen könnte, von energieautarken Einfamilienhäusern bis hin zu riesigen Stahlwerken. Die Zuschauer erfahren, wie das Element im Elektrolyseur gewonnen wird, was es mit grünem, blauem, rotem und grauem Wasserstoff auf sich hat und ob Wasserstoff wirklich so gefährlich ist, wie viele seit der Explosion des Zeppelins Hindenburg oder gar der Wasserstoffbombe denken.