Beschreibung

Nach den Vorgaben des Klimaschutzgesetzes soll Deutschland bis 2045 treibhausgasneutral werden. Um dieses ambitionierte Ziel zu erreichen, sind eine Vielzahl von Maßnahmen erforderlich, die den Ausstoß an Treibhausgasen signifikant reduzieren. In diesem Kontext wird dem Einsatz von Brennstoffzellensystemen eine zentrale Rolle zukommen, da sie sowohl für die CO2-neutrale Stromerzeugung als auch für die CO2-neutrale Wasserstoffherstellung von großer Bedeutung sind. Die Brennstoffzellentechnologie mit der derzeit höchsten Effizienz ist die Solid Oxide Cell (SOC). Wenn SOC-Systeme zur Stromerzeugung genutzt werden, spricht man von Solid Oxide Fuel Cell Systemen (SOFC). Diese Systeme können über 60% der bei der Reaktion von Sauerstoff mit Wasserstoff freigesetzten Energie in Form von elektrischem Strom bereitstellen. Bei der Wasserstofferzeugung in der sogenannten Solid Oxide Electrolyzer Cell (SOEC) liegt der Wirkungsgrad, dank der möglichen Integration von Wasserdampf, sogar bei bis zu 90% (Köllner, 2024).

Eine Besonderheit der SOC-Technologie ist, dass sie bei hohen Temperaturen von über 650°C bis 1000°C betrieben werden muss. Diese hohen Temperaturen stellen erhebliche Anforderungen an das Design und die Materialien im Hochtemperaturbereich (Hot Box) des Brennstoffzellensystems. Im Rahmen des Förderprojekts wurde ein modulares Konzept für Wärmetauscher und Reformer entwickelt, die im Hochtemperaturbereich des Systems zum Einsatz kommen und mit für die Gaserzeugung für den Brennstoffzellenstack verantwortlich sind. Die Wärmetauscher sind in der Lage, einen Großteil der in den Abgasen des Stacks vorhandenen thermischen Energie an die in den Stack eintretenden Gase zu übertragen. Erst durch diese Wärmerekuperation ist es möglich, einen hohen Gesamtwirkungsgrad im System zu erzielen. Das im Rahmen des Förderprojekts entwickelte modulare Wärmetauscherkonzept erfüllt die am Markt gefragten technischen Leistungsparameter, wobei hohe Effizienz und geringer Druckverlust bei hoher Leistungsdichte entscheidend sind. Das modulare Konzept ermöglicht eine effiziente Auslegung des Wärmetauschers mittels Standardisierung und bietet durch die flexible Gestaltung der Diffusoren die Möglichkeit, trotzdem projektspezifische Geometrien zu realisieren.