Die Hochtemperatur-Elektrolyse wird bei Wassertemperaturen von über 100°C bis teilweise 1200°C durchgeführt. Aufgrund dieser hohen Temperaturen befindet sich das zu spaltende Wasser in seiner gasf?rmigen Phase. Betrachtet man nicht die ben?tigte Energie zur aufzubringenden W?rme, liegt der spezifische Energiebedarf der HT-Elektrolyse unter 4kWh und f?llt damit geringer aus als Konkurrenzmethoden, wie die PEM oder alkalische Elektrolyse. Dadurch eignet sich dieses Verfahren besonders an Industriestandorten, an denen bereits Wasserdampf in gro?en Mengen und bei gro?en Temperaturen produziert wird. Die Hochtemperatur-Elektrolyse befindet sich zum aktuellen Zeitpunkt noch in der Pilotphase und wurde noch nicht gro?industriell umgesetzt. ?(Schmidt, 2020)

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In der obigen Abbildung ist ein schematischer Aufbau der Hochtemperaturelektrolyse zu sehen, der im Wesentlichen aus einer Kathode, einer Anode und einem Elektrolyten, der die beiden Elektroden nicht elektrisch- sondern Ionen-leitend, miteinander verbindet, besteht. Der Wasserdampf wird auf die Kathode der Zelle geleitet und in Wasserstoff und Sauerstoff-Ionen (O₂-) aufgespaltet. Das Sauerstoff-Ion diffundiert durch den Elektrolyten zur Seite der Anode und wird durch Abgabe der überschüssigen Elektronen zu elementarem Sauerstoff umgewandelt. Im Unterschied zu herk?mmlichen Elektrolysetypen wird bei der Hochtemperatur-Elektrolyse als Elektrolyt ein keramischer Festk?rper verwendet, der die beiden Elektroden voneinander trennt. Als Material eignet sich Yttrium stabilisiertes Zirkoniumoxid, der zum einen ein guter elektrischer Isolator, zum anderen ein sehr guter Leiter für Sauerstoffionen ist. Die Hochtemperatur-Elektrolyse wird auf Grund des Festk?rperelektrolyten auch Solid-Oxid-Electrolysis-Cell (kurz SOEC) genannt. Erst bei Temperaturen gr??er als 800°C erreicht die Leitf?higkeit der Sauerstoff-Ionen einen geeigneten Bereich für die Durchführung der Elektrolyse.

Auch die Kathode ist por?s gestaltet, um in diesem Fall einen guten Fluss des Wasserstoffgases zu bewerkstelligen. Hier eingesetzte Materialien sind unter anderem Nickel, welches die Aufgaben der elektronischen Leitung und als Katalysator zur Spaltung des Wassers übernimmt, und einer Metall-Keramik Verbindung aus Strontium, Yttrium und Zirkonium, welches auch als Grundgerüst für den Festk?rper-Elektrolyt dient. Im Laufe der Wasserspaltung wird der Sauerstoff kurzzeitig an die Struktur des Elektrolyten angelagert?(Sandstede, 1991). Die übrigbleibenden zwei Wasserstoffatome werden zu einem Wasserstoffmolekül reduziert.

$$ \mathrm{H}_{2} \mathrm{O}+2 e^{-} \rightarrow \mathrm{H}_{2}+\mathrm{O}^{2-} $$

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Die Anode besteht aus einem Perowskit-Kristall. Die hierfür verwendeten Metalle sind unter anderem Lanthan, Cobalt, Strontium und Eisen. Die Anode ist auf Grund ihrer Kristallstruktur so por?s gestalten, dass einen guten Transport von Gasen, aber auch geleichzeitig von den notwendigen Elektronen gew?hrleistet werden kann. An der Anode wird ein Sauerstoff aus der Struktur des Elektrolyten entnommen. Das dabei entstehende Sauerstoffion wird für die Oxidation verwendet und elementarer Sauerstoff entsteht.

$$ O^{2-} \rightarrow \frac{1}{2} O_{2}+2 e^{-} $$

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Eine Gasdiffusionsschicht muss zwischen Festk?rperelektrolyt und der Anode eingebracht werden, um eine ungewollte Reaktion zwischen zum Beispiel Strontium oder Lanthan mit dem Elektrolytmaterial zu verhindern. Diese Reaktion ist ein langwieriger Prozess über die Lebensdauer der Elektrolyse-Zelle hinweg. Das Strontium oder Lanthan diffundiert über die Zeit in den Festk?rperelektrolyten und setzt sich dort im Gitter fest. Andersherum kann das Zirkonium in die Anode wandern. Die Bildung der dabei entstehenden Produkte aus den beiden Materialien würde den Sauerstofftransport behindern und somit den Wirkungsgrad der Zelle herabsetzten.

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Fazit

Der gro?e Vorteil der Hochtemperatur-Elektrolyse ist der sinkende, für die Elektrolyse Reaktion ben?tigte, elektrische Energiebedarf bei steigender Temperatur. Dadurch kann ein h?herer Wirkungsgrad erreicht werden. Dies ist an der reversiblen Spannung - Spannung, die mindestens angelegt werden muss, um die Zersetzung von Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff zu erreichen - zu sehen, die bei Raumtemperatur ungef?hr U⁰_RT = 1,23V und bei Temperaturen um die 1000°C U⁰_HT = 0,97V betr?gt. Eine Verringerung der reversiblen Spannung führt zu einem h?heren Wirkungsgrad der Reaktion?(Schmidt, 2020). Aus dem einfachen Grund, dass weniger Energie ben?tigt wird, um die Reaktion zu starten und durchzuführen. (Sandstede, 1991)