In dieser Arbeit werden reversible Hochtemperatur Brennstoffzellen (RSOC)-Systeme auf Zellebene, Stackebene und Systemebene analysiert. Im theoretischen Teil dieser Arbeit werden die Anwendungen und Anforderungen von elektrischen Energiespeichersystemen im Netzverbund beschrieben. Basierend auf den Anforderungen für bestimmte Funktionen entlang der elektrischen Wertschöpfungskette, wird eine Übereinstimmungsmatrix von In dieser Arbeit werden reversible Hochtemperatur Brennstoffzellen (RSOC)-Systeme auf Zellebene, Stackebene und Systemebene analysiert. Im theoretischen Teil dieser Arbeit werden die Anwendungen und Anforderungen von elektrischen Energiespeichersystemen im Netzverbund beschrieben. Basierend auf den Anforderungen für bestimmte Funktionen entlang der elektrischen Wertschöpfungskette, wird eine Übereinstimmungsmatrix von Anwendung und Technologie aufgestellt um die möglichen Einsatzgebiete für reversible Hochtemperatur Brennstoffzellen Systeme zu identifizieren. Spezifische Anwendungen umfassen Leistungsüberbrückungsfunktionen bei z.B. kurz und mittelfristiger Lastüberhöhung oder Energiemanagementfunktionen wie z.B. saisonaler Speicherung. Eine Positionierung von reversiblen Hochtemperatur Brennstoffzellen-Systemen im Vergleich zu anderen Energiespeichersystemen wird durch die Definition und Bewertung von Kennzahlen (KPIs) durchgeführt. Kompetitive Systeme sind vor allem Vanadium-Redox-Flow-Batterien sowie andere Batteriesysteme auf Li-Ionen Basis oder Nickel-Cadmium Basis. Auf Zellebene werden die einzelnen Arten der Polarisation im Detail beschrieben und die Unterschiede von Anoden gestützten Zellen (ASCs), Elektrolyt gestützten Zellen (ESCs) und Metall gestützten Zellen (MSCs) ausgearbeitet. Für die Reversibilität von Zellen scheinen Metall gestützte Zellen eine attraktive Alternative zu sein wegen ihrer hohen Toleranz gegenüber Temperaturschwankungen und Redox-Durchläufen. Allerdings sind die bisher gemessenen Lebenszeiten in stationärem Zustand geringer als bei ASCs und ESCs. Auf Systemebene werden verschiedene Designs analysiert, wobei ausschließlich Wasserstoff als Brennstoff in Betracht gezogen wird. Die Berücksichtigung einer Rezirkulationsschleife mit Kondensator in den Anlagenkomponenten (BoP) ermöglicht eine Steigerung des Wirkungsgrades des Gesamtsystems. Die Strategien zur Anhebung der elektrischen Systemleistung vom kW-Bereich in den MW-Bereich werden am Beispiel existierender Systeme von Sunfire GmbH, Forschungszentrum Jülich und dem VTT Research Centre diskutiert. Hohe Leistungsbereiche für reversible Brennstoffzellen-Systeme können durch die Kombination einzelner Module mit 4-8 Stacks und einer Gesamtspannung von ca. 400-600 V erreicht werden.
Im praktischen Teil dieser Arbeit wird die Eignung eines 180-Zellen Stacks produziert vom Fraunhofer Institut für Keramische Technologien und Systeme (IKTS) beurteilt. Zu diesem Zweck werden mittels der Softwares Matlab/Simulink und AVL CameoTM zwei separate Modelle für den SOEC Modus und SOFC Modus für eine statische Versuchsplanung (DoE) genutzt. In diesem Zuge werden mehrere Optimierungen mit verschiedenen Zielfunktionen in stationären Betriebspunkten durchgeführt. Den Zielfunktionen der Optimierung entsprechend, werden unterschiedliche Betriebsstrategien entwickelt und miteinander verglichen. Die Ergebnisse zeigen die optimalen Zuflussraten von Brennstoff und Luft, sowie die Temperaturen und weitere Einflussparameter um möglichst hohe Wirkungsgrade, möglichst hohen Output oder möglichst hohe externe Wärmezufuhr im SOEC Modus in verschiedenen Lastpunkten zu erzielen. Im Zuge der Auswertungen wird der Einfluss der Gaseintrittstemperaturen, der Brennstoffausnutzung, und die Berücksichtigung eines Kondensators in der Rezirkulation analysiert. Im SOFC Modus erreicht das System eine maximale elektrische Leistung von 5 kW bei einem elektrischen Wirkungsgrad von 51 %. Bei halber Last erreicht das System eine elektrische Leistung von 2,5 kW bei einem elektrischen Wirkungsgrad von 62 %. Des Weiteren wird in dieser Arbeit das Teillastverhalten analysiert. Im SOFC Modus steigt der Wirkungsgrad bei niedrigen Teillasten, was durch die fallende Gebläseleistung zu begründen ist. Im SOEC Modus wird der Einfluss der Gaseintrittstemperaturen, sowie die Zugänglichkeit zu externen Abwärme analysiert. Das System erreicht eine Wasserstoffproduktionsrate von 6 Nm³/h bei einem elektrischen Input von 18 kW und einem Wirkungsgrad von 78 %. Wenn Abwärme verfügbar ist und in das System eingespeist werden kann, steigt der Wirkungsgrad auf ein Maximum von 95 %. Im Unterschied zum SOFC Modus steigt der Wirkungsgrad mit steigenden Teillasten. Auf Basis der ermittelten Wirkungsgrade im SOFC Modus und SOEC Modus wird der Roundtrip-Wirkungsgrad für das RSOC System bestimmt und mit Literaturwerten verglichen. Der maximale Roundtrip-Wirkungsgrad beträgt 57 % bei einer Teillast von 50 % und 47 % unter Volllast.