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Lehrstuhl für Physikalische Chemie

ReFoxEnergie (Reversible Festoxidzellen für elektrochemische Energieumwandlung und -speicherung)

Synopsis

Im Projekt „ReFoxEnergie“ beschäftigen sich die Montanuniversität Leoben (Lehrstuhl für Physikalische Chemie) und die Technische Universität Graz (Institut für Wärmetechnik) mit der nachhaltigen und effizienten Energieumwandlung und ‑speicherung in Hochtemperaturbrennstoffzellen und Hochtemperaturelektrolysezellen. Im Speziellen wird die Reversible Festoxidzelle (RSOC) erforscht, welche je nach Bedarf mit hohem Wirkungsgrad entweder chemische Energie (z.B. in Form von Wasserstoff, Erdgas, Alkoholen oder Diesel) in elektrische Energie umwandelt oder Strom in Form von Wasserstoff, Synthesegas oder – mit nachgeschalteter Methanisierung – Methan speichert. Ziel ist ein tieferes Verständnis der elektrochemischen Vorgänge und Degradationsmechanismen von RSOCs, um die Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit für zukünftige Anwendungen zu erhöhen.

Projektlaufzeit

Start: 01.03.2018

Ende: 31.08.2019

Beteiligte Personen

Projektleitung: Assoz.Prof. DI Dr. Edith Bucher

Projektmitarbeiter: Edith Bucher, Andreas Egger, Christian Berger, Werner Sitte

 

Projektpartner

TU Graz (Institut für Wärmetechnik)

Kurzfassung

Das Projekt „ReFoxEnergie“ beschäftigt sich mit den Zukunftstechnologien Hochtemperaturbrennstoffzelle (SOFC - Solid Oxide Fuel Cell) und Hochtemperaturelektrolysezelle (SOEC - Solid Oxide Electrolysis Cell) für die nachhaltige Bereitstellung und Speicherung von umweltfreundlicher Energie mit hohem Wirkungsgrad. Dabei soll speziell die innovative Kombination von SOFC und SOEC in einer Reversiblen Festoxidzelle (RSOC – Reversible Solid Oxide Cell) erforscht werden, welche je nach Bedarf entweder gespeicherte chemische Energie in elektrische Energie umwandelt (Brennstoffzellenbetrieb) oder umgekehrt Strom in Form von chemischer Energie speichert (Elektrolysebetrieb). Die Kombination der beiden Technologien in einem System ist ein enormer Vorteil, da der Wechsel vom SOFC- in den SOEC-Betrieb kurzfristig möglich ist. Der äußerst hohe Wirkungsgrad des RSOC-Systems und die Tatsache, dass neben reinem Wasserstoff auch Synthesegas und kommerzielle Energieträger (Erdgas, Alkohole, Diesel etc.) als Brennstoffe eingesetzt werden können, ist ein bedeutender Vorteil gegenüber anderen Brennstoffzellentypen, welche meist auf hochreinen Wasserstoff angewiesen sind und nur entweder im Brennstoffzellen- oder im Elektrolysemodus betrieben werden können.

Weltweit gibt es zu Reversiblen Festoxidzellen bislang nur wenige Untersuchungen. Insbesondere um die Effizienz und Langlebigkeit und damit die Nachhaltigkeit dieses kombinierten SOFC/SOEC-Systems zu verbessern, sind noch umfangreiche Forschungsarbeiten im Grundlagenbereich erforderlich. Speziell im reversiblen Betrieb des RSOC-Systems stellen sich neue und zusätzliche Herausforderungen an Materialentwicklung, Prüfaufbauten, Messdatenerfassung und   -analyse, welche im Projekt adressiert werden sollen. Durch den reversiblen Betrieb von SOFC/SOEC-Zellen im RSOC-Modus ist die Langzeitstabilität unter anwendungsnahen Bedingungen ein besonders kritisches Thema, welches bislang die großflächige Markteinführung dieser effizienten und umweltfreundlichen Energietechnologie verzögert. Eines der wichtigsten Projektziele ist daher, ein tieferes Verständnis für die chemischen und elektrochemischen Vorgänge der Zelldegradation aufzubauen und damit Lösungsansätze zu deren Vermeidung bzw. für die Regeneration von Zellen zu entwickeln.

 

Dieses Projekt wird vom Land Steiermark aus Mitteln des Zukunftsfonds Steiermark gefördert.

HYDROMETHA (Development of a stationary electricity storage system via high temperature co-electrolysis and catalytic methanation)

Synopsis

Ein vollintegriertes CO 2+H 2O Hochtemperatur-Koelektrolysesystem (Co-SOEC) mit katalytischer Methanisierung wird entwickelt und in Form eines 10kW el Funktionsträgers getestet. 


Beteiligte Personen

  • Projektleitung: DI Richard Schauperl (AVL)
  • Teilprojektleitung MUL-PC: Univ.-Prof. Dr. Werner Sitte
  • Projektmitarbeiter: Andreas Egger, Christian Berger, Edith Bucher, Werner Sitte

Projektpartner

  • AVL-List GmbH
  • Montanuniversität Leoben - Lehrstuhl für Verfahrenstechnik des industriellen Umweltschutzes
  • Fraunhofer IKTS Dresden (DE)
  • Energieinstitut an der JKU Linz
  • Plansee SE
  • Repotec GmbH und Co KG
  • Prozess Optimal CAP GmbH
  • Externe Partner (per LOI): OMV, RAG, EVN, voestalpine, K1-MET 


Kurzfassung

Die unter dem Überbegriff Power-to-Gas (PtG) bekannten Verfahren stellen Schlüsseltechnologien für die Energiespeicherung in CO 2-reduzierten Energieversorgungssystemen mit hohem Anteil stark schwankender, regenerativer Stromquellen wie Wind- und Solarenergie dar. Dabei wird erneuerbarer Strom in chemischen Energieträgern - typischerweise Wasserstoff oder Methan - gespeichert. Diese können dann als CO 2-neutraler Brennstoff verwendet oder bei Bedarf wieder rückverstromt werden. Ein wesentlicher Vorteil von Methan gegenüber Wasserstoff liegt u.a. in der bereits großflächig verfügbaren Infrastruktur, da Methan ohne Einschränkungen in das bestehende Erdgasnetz gespeist, in gasbefeuerten Kraftwerken sowie in Erdgas-Fahrzeugen als Treibstoff verwendet werden kann.

Das Leitprojekt HYDROMETHA ist ein horizontal und vertikal stark integriertes Vorhaben bestehend aus einem industriellen Entwicklungsdienstleister (AVL, Koordinator), einem Brennstoffzellenkomponentenhersteller (Plansee), Forschungseinrichtungen (Energieinstitut der JKU, Fraunhofer IKTS und Montanuniversität Leoben) und den österreichischen Kleinunternehmen Repotec und Prozess Optimal. Es wird zentral über eine Spezifikationsdefinition gestartet und führt dann in parallele Aktivitäten zur Entwicklung der zentralen Kerntechnologien CO 2+H 2O Ko-Elektrolyse mit Festoxidzellen (Co-SOEC) und der katalytischen Methanisierung. In Folge werden diese zwei Kerntechnologien im Labormaßstab in einem 10kW el Gesamtsystem als Funktionsträger gekoppelt und experimentell auf Systemebene am Prüfstand validiert.

Der Funktionsträger soll folgende Ziele erreichen:

  • Hocheffiziente CO 2-Senke durch Umwandlung von CO 2 + H 2O in der entwickelten Co-SOEC Brennstoffzelle in H 2 und CO mit einem Wirkungsgrad von >90%
  • Steigerung des elektrischen Gesamtwirkungsgrades des Co-SOEC Systems mit  Methanisierung, verglichen mit Niedertemperatur-PEM-Elektrolyseuren um >30%
  • Erhöhung der Leistungsdichte an der Co-SOEC Zelle um >100%
  • Dynamischer Betrieb der Methanisierung im Lastbereich von 20 bis 120%
  • Essentiell verbessertes Wärmemanagement im Vergleich zu Systemen ohne Co-SOEC und damit eine Reduzierung der Wärmeverluste um >50%

Eine zusätzliche zentrale Motivation für das Projekt ist die Etablierung einer nationalen/europäischen Wertschöpfungskette für die Co-SOEC Technologie. Die Teilnahme von fünf namhaften assoziierten Industrialisierungspartnern am Vorhaben unterstreicht nicht nur die hohe wirtschaftliche und ökologische Relevanz dieses Projektes, sondern stellt bereits im frühen Forschungsstadium eine zielgerichtete Entwicklung in Richtung Markt- und Industriespezifikationen sicher. Weiters betont die Teilnahme das Potential dieser Technologie zur Implementierung von nachhaltigen nationalen und internationalen Energiesystemen. Bei positivem Projektabschluss ist eine Beteiligung der OMV, RAG, EVN, voestalpine und K1-MET für den Aufbau einer größeren Pilotanlage geplant.

Dieses Projekt wird aus Mitteln des Klima- und Energiefonds gefördert und im Rahmen des Energieforschungsprogramms 2016 durchgeführt.

 

 

SOFC-SALT (Solid Oxide Fuel Cell – Stationary Accelerated Life Testing)

Synopsis

Es sollen experimentelle Daten für die Schädigungsrechnung von SOFC-Zellen und –Stacks unter verschiedenen, anwendungsnahen Testbedingungen generiert werden. Mittels (Weiter-) Entwicklung und Einsatz von Simulationstools, Mess- und Testsystemen sollen grundlegende, neue Daten erarbeitet werden, welche die Abschätzung von sinnvollen Raffungsfaktoren für eine Reihe von wichtigen Fehlermoden im stationären SOFC-Betrieb ermöglichen.

 

Beteiligte Personen

·          Projektleitung: Dr. Vincent Lawlor (AVL)

·          Teilprojektleitung MUL: Assoz.Prof. Dr. Edith Bucher

·          Projektmitarbeiter: Edith Bucher, Andreas Egger, Peter Gsaxner, Martin Perz, Nina Schrödl, Werner Sitte

 

Projektpartner

·          AVL-List GmbH

·          TU Graz (Institut für Wärmetechnik)

·          Externer Partner (per LOI): Fraunhofer IKTS Dresden (DE)

 

Kurzfassung

Hochtemperaturbrennstoffzellen (SOFCs) stellen eine effektive und nachhaltige Technologie zur Reduktion der österreichischen CO 2-Emissionen und zur Deckung des Energiebedarfs dar. Im Rahmen der Technologieentwicklung zur stationären Nutzung von SOFC-Systemen ist jedoch insbesondere die Erhöhung der Lebensdauer und Zuverlässigkeit ein kritisches und ungelöstes Problem, welches die breite Markteinführung bislang verhindert hat. Systemintegrierern steht derzeit keine Möglichkeit zur Qualifizierung der SOFC-Stack-Zuverlässigkeit und –Lebensdauer zur Verfügung. Das Konsortium ist der Überzeugung, dass in dieser Hinsicht großer Forschungsbedarf zu neuen Methoden der Zuverlässigkeits- und Lebensdaueranalyse besteht. Im beantragten Forschungsprojekt soll eine neue Methodik entwickelt werden, welche anhand von aussagekräftigen Raffungsfaktoren eine statistische Qualifizierung der wichtigsten Fehlermoden von stationär betriebenen SOFC-Stacks ermöglicht.

Zu diesem Zweck werden im Rahmen des Projektes experimentelle Daten für die Schädigung von SOFC-Komponenten, -Zellen und -Stacks unter verschiedenen, anwendungsnahen Testbedingungen generiert. Mittels (Weiter-) Entwicklung und Einsatz von Simulationstools, Mess- und Testsystemen sollen grundlegende, neue Daten erhalten werden, welche die Abschätzung von sinnvollen Raffungsfaktoren für eine Reihe von wichtigen Fehlermoden im stationären SOFC-Betrieb ermöglichen.

Grundlagenforschung seitens der universitären Partner stellt einen essentiellen Faktor zur Erreichung dieses Ziels dar. Die Montanuniversität Leoben wird experimentelle, grundlagenorientierte Untersuchungen zur Langzeitdegradation von SOFC-Kathoden und Kathoden-Elektrolyt-Interfaces durchführen und das Konsortium durch die Lieferung von elektrochemischen und kinetische Messergebnissen und post mortem Untersuchungen unterstützen. An der TU Graz werden Tests durchgeführt, welche neue Daten zur Stabilität von Zellen/Stacks gegen (kombinierte) Vergiftungsreaktionen und mechanische Belastung unter anwendungsnahen Bedingungen liefern. IKTS wird Unterstützung bei der Beschaffung der SOFC Hardware leisten und wie im LOI (s. Anhang) dargestellt kooperieren.

Basierend auf diesen Forschungsaktivitäten wird AVL die gewonnenen Daten/Erkenntnisse in die Entwicklung der Zuverlässigkeits- und Lebensdaueranalysetools einfließen lassen. Diese auf physikalischen und ingenieurwissenschaftlichen Prinzipien basierte Methodik soll durch einen „proof-of-concept“ Zuverlässigkeits- und Lebensdauertest validiert werden. Die Methodik zur elektrochemischen Systemüberwachung und –diagnose soll schlussendlich zu praktischen und kosteneffektiven Verbesserungen im Bereich der Lebensdauer und Zuverlässigkeit von stationären SOFC-Systemen beitragen.

Dieses   Projekt  wird   aus   Mitteln   des   Klima- und   Energiefonds gefördert   und   im   Rahmen   des Energieforschungsprogramms 2015 durchgeführt.

      

ASYSII (SOFC APU System Entwicklung II)

  • Synopsis

Für die Entwicklung von kohlenwasserstoffbasierten Brennstoffzellen-APUs stellt deren begrenzte Lebensdauer gegenwärtig eine massive Hürde dar. Im Fokus dieses Projekts steht daher die Erforschung der grundlegenden Schädigungsprozesse während des Betriebs eines SOFC-Systems mit einem kohlenwasserstoffbasierten Kraftstoff, sowie die Entwicklung neuer Technologien und Materialien, welche zukünftige Verbesserungen hinsichtlich Kosten und Dauerhaltbarkeit erwarten lassen.

  • Beteiligte Personen

    • Projektleitung: DI Jürgen Rechberger, Assoz.Prof. Dr. Edith Bucher (Teilprojektleitung MUL)
    • Projektmitarbeiter: Christian Berger, Edith Bucher, Andreas Egger, Peter Gsaxner, Martin Perz, Nina Schrödl, Werner Sitte

  • Kurzfassung

In fast allen Industrie-, Marine-, Luftfahrt- und Nutzfahrzeuganwendungen wird langfristig ein kohlenwasserstoffbasierter Kraftstoff zum Einsatz kommen, da eine hohe Energiespeicherdichte erforderlich ist. Im Gegensatz zu PKWs haben in diesen Anwendungen Batterien oder Wasserstoff als Energiespeicher (ohne massive Technologiesprünge) selbst langfristig gesehen keine Umsetzungschancen. Daher ist es von entscheidender Bedeutung, die Umwandlungsprozesse von konventionellen Kraftstoffen zu verbessern. Die SOFC-Technologie weist hierfür beachtliches Potential auf, da sie eine hohe Kraftstoffflexibilität besitzt. Im Fokus des Projekts stehen die systematische Erforschung von Schädigungsprozessen, sowie von Diagnoseansätzen zu deren Detektion, und die Validierung von kohlenwasserstoffbasierten SOFC-Systemen unter realen Einsatzbedingungen zur Erforschung von kritischen Umwelteinflüssen auf die Schädigungsprozesse. Das Ziel dieses Vorhabens ist die Steigerung der Lebensdauer auf mehr als 5000h.

An der MUL werden im Rahmen des Projektes neue Technologien/Materialien untersucht, die zukünftige Verbesserungen hinsichtlich Kosten und Dauerhaltbarkeit erwarten lassen. Dazu gehören neue SOFC-Kathodenmaterialien und die weitere Erforschung von metallgetragenen SOFC-Zellen in Kooperation mit der Firma Plansee.

 

Gefördert bzw. finanziert im Programm " Mobilität der Zukunft" vom Bundesministerium für Verkehr, Innovation und Technologie (bmvit).

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SENTECH (Seltenerdnickelate für zukünftige Energietechnologien)

Synopsis

Ziel des Projektes ist das detaillierte Verständnis des Masse- und Ladungstransportes, der Defektchemie, sowie des Sauerstoff-/Wasserstoffaustausches in neuen, substituierten Seltenerdnickelaten im Hinblick auf deren Anwendung in zukünftigen Energietechnologien.

 

Beteiligte Personen

·         Projektleitung: Assoz.Prof. Dr. Edith Bucher

·          Projektmitarbeiter: Christian Berger, Andreas Egger, Peter Gsaxner, Nina Schrödl, Werner Sitte

 

Projektpartner

·          Zentrum für Elektronenmikroskopie, Graz

·          Max-Planck-Institut für Festkörperforschung, Stuttgart

 

Kurzfassung

Oxidkeramiken mit hoher Sauerstoff- und Wasserstoffionenleitfähigkeit, hoher elektronischer Leitfähigkeit und hoher katalytischer Aktivität bieten eine Reihe von zukünftigen Anwendungsmöglichkeiten im Energiebereich, wie z.B. Elektroden in Hochtemperaturbrennstoff- und -elektrolysezellen, keramische Membranen zur selektiven Sauerstoff- oder Wasserstofftrennung, elektrochemische Sauerstoff- bzw. Wasserstoffsensoren und heterogene Katalysatoren. Seltenerdnickelate A n+1 B nO 3n+1 ( = La, Pr, Nd; = Ni; = 1,2,3 etc.) besitzen eine der höchsten derzeit bekannten Diffusivitäten und ionischen Leitfähigkeiten für Sauerstoff bei gleichzeitiger guter elektronischer Leitfähigkeit. Durch Substitution dieser Verbindungen auf dem A- und B-Gitterplatz bietet sich die Möglichkeit, deren Materialeigenschaften gezielt zu variieren. Bedingung hierfür ist allerdings ein tiefergehendes Verständnis der Masse- und Ladungstransporteigenschaften, Defektchemie und Struktur-Eigenschaftsbeziehungen der neuen Verbindungen, welche noch wenig erforscht sind. Besonders über die vermutete Protonenleitfähigkeit in diesen Materialien gibt es kaum Untersuchungen.

Im gegenständlichen Projekt sollen auf Basis strukturchemischer Überlegungen vielversprechende neue Zusammensetzungen von A- und B-Platz substituierten Seltenerdnickelaten hergestellt und hinsichtlich Struktur-Eigenschaftsbeziehungen charakterisiert werden. MUL konzentriert sich dabei auf die Synthese der Materialien und deren Charakterisierung hinsichtlich Phasenreinheit, Sauerstoffnichtstöchiometrie, Sauerstoffaustauschkinetik und ionischer bzw. elektronischer Leitfähigkeit. MPI ergänzt diese Aktivitäten um die experimentelle Bestimmung der Sauerstoff- bzw. Wasserstoffaustauscheigenschaften an Dünnschichtelektroden und die Aufklärung der zugrunde liegenden Reaktionsmechanismen. Die gemeinsam erarbeiteten Ergebnisse von MUL und MPI fließen in die Erstellung von defektchemischen Modellen für die neuen Materialien ein, wobei neben den elektronischen Spezies und O-Defekten erstmals auch H-Defekte berücksichtigt werden. Das ZFE ermöglicht die Korrelation der von MUL und MPI untersuchten Masse- und Ladungstransporteigenschaften mit den mikrostrukturellen Eigenschaften durch begleitende Analysen mittels hochauflösender Raster-Transmissionselektronenmikroskopie (STEM). Unter anderem sollen im Rahmen dieser Arbeiten erstmals in-situ TEM-Analysen zur Aufklärung von atomaren Strukturänderungen durch Veränderung des Sauerstoffgehalts an neuen Seltenerdnickelaten durchgeführt werden. Als Ergebnis des Projekts wird eine Wissensbasis geschaffen, welche es zukünftig ermöglicht, die Wirkungsweise von gezielter Substitution auf Struktur- und Transporteigenschaften von Seltenerdnickelaten vorherzusagen und neue Materialien für zukünftige Anwendungen im Energiebereich zu entwickeln.

 

Gefördert bzw. finanziert im Programm " Energieforschung (e!MISSION)" vom Klima- und Energiefonds.