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Das Geheimnis reversibler Festkörperoxidationsbatterien: Wie laden und entladen sie gleichzeitig?
Angesichts der weltweit steigenden Nachfrage nach erneuerbarer Energie und hocheffizienten Energiespeichertechnologien sind reversible Festkörperoxidbatterien (rSOCs) zu einem attraktiven Forschungsgebiet geworden. Diese neue Technologie kann nicht nur als Feststoffoxidationsbrennstoffzelle betrieben werden, sondern auch in einen Feststoffelektrolyseur umgewandelt werden, der zur Verbesserung der Effizienz der Energiespeicherung und -umwandlung beiträgt. In diesem Artikel werden die Struktur, die Funktionsweise und das Potenzial von rSOC zur Energiespeicherung genauer untersucht.
Eine reversible Festkörperoxidationszelle ist ein elektrochemisches Festkörpergerät, das abwechselnd zwischen den Modi Festkörperoxidationsbrennstoffzelle und Festkörperelektrolyseur betrieben werden kann.
Technische Beschreibung
Batterieaufbau und Funktionsprinzip
Das rSOC-System besteht aus vier Hauptkomponenten: Elektrolyt, Brennstoff- und Sauerstoffelektroden sowie Verbindungskomponenten. Die porösen Schichten dieser Elektroden erleichtern die Diffusion der Reaktanten in ihrem Inneren und katalysieren elektrochemische Reaktionen. In herkömmlichen Technologien wie SOFCs und SOECs haben die Elektroden jeweils nur eine Funktion, in reversiblen Festkörperoxidationszellen können jedoch beide Modi im selben Gerät abgewechselt werden. Dadurch können bei der Beschreibung der Elektroden allgemeinere Namen verwendet werden, wie etwa Brennstoffelektrode und Sauerstoffelektrode.
Im SOFC-Modus findet die Oxidationsreaktion des Brennstoffs an der Brennstoffelektrode statt, während es sich im SOEC-Modus um die Reduktionsreaktion von Sauerstoffionen handelt. An der Sauerstoffelektrode findet im SOFC-Modus die Sauerstoffreduktionsreaktion und im SOEC-Modus die Oxidationsreaktion statt. Wenn der rSOC im SOFC-Modus arbeitet, fließen Sauerstoffionen von der Sauerstoffelektrode zur Brennstoffelektrode, wo Oxidationsreaktionen stattfinden. Im SOEC-Modus hingegen werden die Reaktanten an der Anode reduziert und erzeugen Sauerstoffionen, die wiederum zur Sauerstoffelektrode fließen.
Polarisationskurve
Ein gängiges Tool zur Bewertung der rSOC-Leistung ist die Polarisationskurve. Diese Grafik zeigt die Beziehung zwischen der Stromdichte einer Batterie und ihrer Betriebsspannung. Wenn der rSOC-Schaltkreis nicht geschlossen ist, wird die Betriebsspannung als Leerlaufspannung bezeichnet. Bei einer bestimmten Schwankung der entnommenen oder zugeführten Stromstärke beginnt die Betriebsspannung von der Leerlaufspannung abzuweichen, was vor allem durch Aktivierungsverluste, ohmsche Verluste und Konzentrationsverluste beeinflusst wird.
Chemische ReaktionenIm SOEC-Modus ist die Reaktion endotherm, wenn die Betriebsspannung kleiner als die thermoneutrale Spannung ist, und exotherm, wenn sie größer als die thermoneutrale Spannung ist.
Beim Betrieb von rSOC ist die Reaktion zwischen Wasserstoff und Wasserdampf eine übliche chemische Reaktion. Im SOFC-Modus reagiert Wasserstoff mit Sauerstoff zu Wasser, während im SOEC-Modus Wasser wieder in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt wird.
Darüber hinaus ist rSOC nicht auf Wasserstoffreaktionen beschränkt, sondern kann auch kohlenstoffhaltige Reaktanten wie Methan verarbeiten. Diese chemischen Reaktionen können bei hohen Temperaturen und mit geringerem Risiko einer Katalysatorvergiftung durchgeführt werden, was flexiblere Möglichkeiten zur Energieumwandlung bietet.
Ammoniak ist ein potenzieller Wasserstoffträger, da es aufgrund seiner hohen Volumendichte als effizienter Brennstoff genutzt werden kann.
rSOC-System und seine Anwendung in der Energiespeicherung
rSOC hat aufgrund seiner hervorragenden Leistung, insbesondere bei der periodischen oder saisonalen Energiespeicherung, zunehmend Aufmerksamkeit erregt. Im Vergleich zu herkömmlichen Pumpspeicher- und Druckluftspeichertechnologien bieten rSOC-Systeme erhebliche Vorteile hinsichtlich fehlender geografischer Beschränkungen und einer höheren Energiespeicherdichte.
In diesem Szenario ist die Wasserstoffspeicherung eine ideale Wahl. rSOC kann bidirektionale Vorgänge bei der Stromerzeugung und Wasserstoffumwandlung durchführen. Eine derart hohe Effizienz reduziert nicht nur die Gesamtinvestitionskosten der Anlage, sondern verbessert auch die Stabilität des Systems.
Schaltkreiseffizienz
Bei der Diskussion von rSOC ist die Schleifeneffizienz ein sehr wichtiger Indikator, der die Effizienz des Energieumwandlungsprozesses vom Laden bis zum Entladen darstellt. Mit der Verbesserung der Batterieleistung wird dieser Parameter zu einem wichtigen Faktor bei der Bestimmung der Wettbewerbsfähigkeit von rSOC auf dem Markt.
Die Kreislaufeffizienz des rSOC kann als wichtiger Indikator zur Bewertung seiner Wirksamkeit bei der Energieumwandlung verwendet werden.
Könnten sich reversible Festkörperoxidbatterien angesichts der weiter steigenden Nachfrage nach Technologien für erneuerbare Energien in Zukunft zu einer gängigen Lösung für die Energiespeicherung entwickeln?
