Sonne und Wind liefern saubere Energie – allerdings nicht immer dann, wenn sie gerade gebraucht wird. Die Speicherung großer Mengen überschüssiger Energie ist ein entscheidender Faktor für die Energiewende. Denn der Anteil von Strom aus erneuerbaren, teilweise stark schwankenden Energiequellen nimmt stetig zu. Mit den derzeitigen Energiesystemen kann elektrische Energie jedoch nur begrenzt gespeichert werden.
Hochtemperaturelektrolyse: Schlüsseltechnologie für die Energieversorgung von morgen
Die Hochtemperaturelektrolyse zählt zu den effizientesten und nachhaltigsten Technologien, um elektrische Energie in Wasserstoff oder Synthesegas umzuwandeln. Trotz ihres großen Potentials sind Hochtemperaturelektrolyse-Systeme im Vergleich zu anderen Elektrolysetechnologien jedoch bislang noch nicht in großem Umfang kommerzialisiert.
„Die größten Herausforderungen bei der Entwicklung marktreifer Zellen, Stacks und Systeme sind die Verbesserung der Langzeitstabilität, die Senkung der Entwicklungszeit und der Entwicklungskosten“, erläutert Assoz.-Prof. Dr. Edith Bucher vom Lehrstuhl für Physikalische Chemie der Montanuniversität Leoben. Darüber hinaus beeinträchtigen verschiedene Alterungsmechanismen während langer Betriebszeiten die Leistungsfähigkeit und können langfristig zum Zellversagen führen. Um diese Degradationsmechanismen genauer zu untersuchen, wären detaillierte Einblicke in die laufenden Veränderungen der dreidimensionalen Struktur der Elektroden und deren direkte Auswirkungen auf die elektrochemischen Eigenschaften erforderlich. „Solche Analysen sind aufgrund begrenzter Messmöglichkeiten und hoher Kosten derzeit jedoch kaum durchführbar“, so Dr. Bucher.
Genau hier setzt das neue Forschungsprojekt „MaviS – Materialforschung und virtuelle Sensorkonzepte als Innovationsbeschleuniger für Hochtemperaturelektrolysezellen“ an.
Ein „Blick“ ins Innere der Zelle
„Im Projekt MaviS werden umfangreiche elektrochemische Tests an Hochtemperaturelektrolysezellen durchgeführt. Ziel ist es, charakteristische Signaturen zu erkennen, die auf bestimmte Alterungsmechanismen hinweisen. Anschließende hochentwickelte bildgebende Post-mortem-Analysen – also Untersuchungen der Zellen nach dem Betrieb in drei Dimensionen – verknüpfen diese Signaturen mit Veränderungen in der Elektrodenmorphologie“, so Dr. Roland Brunner von der Materials Center Leoben Forschung GmbH. Diese zeigen, wie sich die feinen dreidimensionalen Strukturen der Elektroden verändert haben. Elektroden sind jene Teile der Zelle, an denen die entscheidenden elektrochemischen Reaktionen stattfinden. Veränderungen in ihrer porösen Struktur können beeinflussen, wie leistungsfähig und langlebig eine Zelle ist.
Ein KI-gestützter Workflow reduziert zum einen den experimentellen Aufwand und ermöglicht dadurch zeit- und kosteneffizientere Analysen. Zum anderen helfen die virtuellen 3D-Rekonstruktionen des Elektrodenaufbaus und datenbasierte Modelle dabei, die Alterung der Zelle und deren Ursachen noch besser zu verstehen. Durch die Kombination aus hochentwickelten Experimenten sowie datenbasierten und physikalischen Modellen lässt sich die Degradation der Zellen genauer untersuchen und die Herstellung der Elektroden besser optimieren. „Dieser hybride Ansatz soll schlussendlich detailliert zeigen, welchen Einfluss Veränderungen in der Oberflächenarchitektur der Elektroden auf die Lebensdauer der Zellen haben und wie man diese in weiterer Folge verbessern könnte“, erläutert Dr. Brunner.
Vom Labor zur intelligenten Diagnose
„Langfristig kann die im Rahmen des Forschungsprojektes einwickelte Methodik in einem virtuellen Sensorkonzept eingesetzt werden“, erklärt Dipl.-Ing. Johannes Lackner von der AVL List GmbH. Dabei handelt es sich um ein über das Projekt hinaus entwickeltes online Diagnosewerkzeug, das den Zustand von Zellen, Stacks oder Systemen mittels verschiedener Sensorsignale während des Betriebs überwacht. „Statt erst nach einem Leistungsabfall oder Ausfall aufwendig nach der Ursache zu suchen, kann zukünftig bereits frühzeitig festgestellt werden, welche Art von Degradation vorliegt und wie weit sie bereits fortgeschritten ist“, so Dipl.-Ing. Lackner.
Ein solcher „digitaler Gesundheitscheck“ für Elektrolysezellen hätte großes Potenzial: Wartung und Betrieb könnten gezielter geplant, Ausfälle vermieden und die Lebensdauer der Zellen oder Systeme verlängert werden. Gleichzeitig würde die Entwicklung neuer Materialien und Zellkonzepte schneller und kostengünstiger.
Mit MaviS verbindet die Montanuniversität Leoben Materialwissenschaft, Elektrochemie, Digitalisierung und Modellierung. Das Projekt adressiert damit eine Schlüsselfrage der künftigen Energieversorgung: Wie kann überschüssige elektrische Energie dann nutzbar gemacht werden, wenn sie tatsächlich gebraucht wird?
Langlebigere und effizientere Hochtemperaturelektrolysezellen könnten dazu beitragen, Wasserstoff als flexiblen Energieträger stärker in Industrie und Energiesystem zu integrieren. Die Forschung aus Leoben leistet damit einen Beitrag auf dem Weg zu einer robusteren, klimafreundlicheren und besser speicherbaren Energiezukunft.
Fakten zum Projekt:
Laufzeit: 01.06.2026 - 31.05.2029
Partner: Lehrstuhl für Physikalische Chemie (Konsortialführer), AVL List GmbH, Materials Center Leoben Forschung GmbH
Fördergeber: Österreichische Forschungsförderungsgesellschaft
Kontakt
Assoz.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Edith Bucher
Montanuniversität Leoben
Lehrstuhl für Physikalische Chemie
Tel.: +43 / 3842 / 402-4813
E-Mail: edith.bucher@unileoben.ac.at
