Fraunhofer-Forscher arbeiten mit deutschen und neuseeländischen Partnern an kostengünstigen und gut verfügbaren Katalysator-Materialien. Ziel: Wasserstoff optimiert herstellen.

 

Eine hocheffiziente und zugleich kostengünstige Produktion von Wasserstoff über die Elektrolyse haben Forschungspartner rund um das Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und angewandte Materialforschung IFAM im Blick. Ihr gemeinsames Forschungsprojekt läuft unter dem Namen "HighHy".

Zur Elektrolyse generell: Die Wassermoleküle werden mit einem mit Leitsalz versetzten Wasser – dem sogenannten Elektrolyten – mittels Strom in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten. Die Energie wird in Form von chemischen Bindungen im Wasserstoff aufgenommen und gespeichert. Drei Elektrolyseverfahren gibt es laut den Forschenden momentan:

• Alkalische Elektrolyse (AEL): Diese Elektrolyse ist laut IFAM historisch am weitesten verbreitet. Hierbei wird dem Wasser etwa Kaliumhydroxid zugegeben. Ein Nachteil ist der geringe untere Teillastbereich, das heißt, dass sich bei Nutzung eines fluktuierenden Stromangebots nicht die gesamte Bandbreite als elektrische Last abnehmen lässt.
• Protonenaustauschmembran-Elektrolyse (PEM): Bei dieser Elektrolysetechnologie wandern Wasserstoff-Ionen in stark saurer Umgebung durch eine gasdichte Membran, die in direktem Kontakt zu den Elektroden steht. Dieser Ansatz ermöglicht eine hohe Leistungsdichte und ein sehr dynamisches Lastverhalten bei hoher Gasreinheit. Allerdings, so die Forschenden, benötigt man für die Elektroden seltene und teure Edelmetalle wie Iridium, die der stark korrosiven Umgebung standhalten, sowie teure Membranen.
• Anionenaustauschmembran-Elektrolyse (AEM): Dieser Art der Elektrolyse widmen sich die Forschenden in "High Hy". Die Technologie vereint ihrer Ansicht nach die Vorteile der AEL-Elektrolyse (hohe Langzeitstabilität, gut verfügbare und kostengünstige Metalle) und der PEM-Elektrolyse (höhere Leistung, Anpassbarkeit an unterschiedliche Lasten und die Gasreinheit). Jedoch konnte sich die AEM-Elektrolyse in der industriellen Anwendung noch nicht durchsetzen. Hier setzt die Arbeit der Forschungspartner an.

Das Problem: Die in der AEM-Elektrolyse stattfindende Sauerstoff-Entwicklungs-Reaktion − die sogenannte Oxygen Evolution Reaction (OER) − läuft bei Verwendung von Nicht-Edelmetallen langsamer ab. Die Folge: Die benötigte Zellspannung der Wasser-Elektrolyse für die angestrebten Stromdichten und somit der Energiebedarf für die Wasserstoff-Herstellung ist vergleichsweise hoch.

Das Forschungsteam im Projekt "High Hy" arbeitet im Rahmen der "Forschungskooperation Grüner Wasserstoff mit Neuseeland" und hat die Entwicklung von OER-Katalysatoren und in der Folge von hocheffizienten AEM-Elektrolyseuren zum Ziel. "Zusammen mit drei neuseeländischen Universitäten und der Universität Bayreuth suchen wir nach der idealen Zusammensetzung für die benötigten Katalysatoren", erklärt Christian Bernäcker, Leiter der Arbeitsgruppe Elektrochemische Technologie am Fraunhofer IFAM.

Die Forschenden wollen eine Nickel-Mangan-Verbindung als OER-Katalysator einsetzen. Die Mischung bietet ihrer Ansicht nach entscheidende Vorteile: Beide Metalle sind gut verfügbar und kostengünstig. Gleichzeitig können sie mit vielversprechender chemischer Aktivität punkten. Clemens Kubeil, wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Abteilung Wasserstofftechnologie am Fraunhofer IFAM, erklärt: "Die Projektpartner erproben viele unterschiedliche Synthesemethoden, Zusammensetzungen, Oberflächenstrukturen und Materialgrößen für die Beschichtung der Katalysatoren. Am Ende soll aber nur eine – die beste – Lösung ausgewählt und anhand eines Demonstrators, der in Neuseeland entsteht, umfassend getestet werden."

​​Anschaffungskosten im Vergleich

Die Beteiligten erhoffen sich, dass sich durch die neuen Katalysatoren die für die Sauerstoff-Entstehung notwendige elektrische Energie verringern und somit die Effizienz der AEM-Elektrolyse steigern lässt. Heruntergerechnet auf den entstehenden Wasserstoff, liegt laut Fraunhofer das Preisziel für die Anschaffungskosten des AEM-Elektrolyse-Systems bei etwa 300 Euro je installiertem kW, wohingegen die PEM-Elektrolyse bei rund 500 Euro rangiert. Selbst bei der alkalischen Elektrolyse setzt man derzeit, so die Forscher weiter, noch 400 Euro als Ziel an. Ihr Fazit: "Damit ist die AEM-Elektrolyse die einzig ernstzunehmende Elektrolyse-Variante, was den Preis angeht".

Einen weiteren Vorteil der AEM-Elektrolyse sehen die Forschenden darin, dass dank der gasdichten Membran sowie des geringer konzentrierten Elektrolyts und asymmetrischen Elektrolytflusses unter großen Drücken produziert werden kann. Dadurch lässt sich sehr reiner und gleichzeitig komprimierter Wasserstoff herstellen, der sich leichter einspeisen lässt. Dies wiederum ermöglicht das schnellere Hoch- und Herunterfahren und den Teillastbetrieb der Systeme.