Kostengünstig und ressourcenschonend: Grüner Wasserstoff dank effizienterer AEM-Elektrolyse

Das Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM in Dresden arbeitet im Rahmen des Projekts HighHy gemeinsam mit Forscher:innen aus Neuseeland daran, die aktuell noch recht junge Technologie der AEM-Elektrolyse effizienter zu machen, um so günstiger und ressourcenschonender grünen Wasserstoff herzustellen. Die Möglichkeit, Wasserstoff unter alleiniger Verwendung erneuerbarer Energien herzustellen, ist von entscheidender Bedeutung für die Energiewende.

Wasserstoff spielt eine wichtige Rolle in der Energiewende

Viele Herausforderungen, die mit der Energiewende einhergehen, könnten unter Einsatz von Wasserstoff bewältigt werden. Dieser ist sowohl im Straßenverkehr als auch in der Industrie- und Wärmeversorgung einsetzbar – und in Zukunft werden wir wahrscheinlich große Mengen davon benötigen. Die Gewinnung von Wasserstoff im größeren Stil stellt derzeit jedoch ebenfalls noch eine Herausforderung dar. Einige der Probleme, die mit der Massenproduktion von Wasserstoff einhergehen, möchte das Projektteam von HighHy lösen. Der Ansatz ist, Katalysatoren für eine hocheffiziente und kostengünstige Produktion von Wasserstoff zu gewinnen.

Das Mittel der Wahl zur Herstellung von Wasserstoff im industriellen Maßstab ist die Elektrolyse. Dabei werden Wassermoleküle in einem mit Leitsalz versetzten Wasser unter Einsatz elektrischer Energie in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten. Die chemischen Bindungen im Wasserstoff speichern dabei die eingesetzte Energie und macht aus dem Gas eine attraktive Möglichkeit zur Speicherung überflüssiger Energie aus Wind- und Solarkraft. Wenn Wasserstoff unter Einsatz erneuerbarer Energien gewonnen wird, wird er als „grün“ bezeichnet.

HighHy sucht Katalysator für die AEM-Elektrolyse

Aktuell werden drei verschiedene Elektrolyseverfahren verwendet. Die alkalische Elektrolyse (AEL), die am weitesten verbreitet ist, die Elektrolyse mit einem Protonenaustauschmembran-Elektrolyseur (PEM-EL) sowie die Elektrolyse mittels Anionenaustauschmembran (AEL). Letztere Technologie ist relativ neu und vereint die Vorteile der AEL-Elektrolyse (Langzeitstabilität und Einsatz gut verfügbarer, kostengünstiger Metalle) mit denen der PEM-Elektrolyse (höhere Leistung und bessere Reinheit des Gases). Allerdings konnte sich das Verfahren bisher in der Industrie noch nicht durchsetzen, da die ihr Zugrunde liegende Sauerstoff-Entwicklungs-Reaktion (OER) nur relativ langsam abläuft, was zu einem vergleichsweise hohen Energiebedarf führt.

Hier setzt das Projekt HighHy an. Im Rahmen des deutsch-neuseeländischen Projekts sollen OER-Katalysatoren und somit hocheffiziente AEM-Elektrolyseure entwickelt werden. Die Forscher:innen von HighHy wollen eine innovative Nickel-Mangan-Verbindung als OER-Katalysator einsetzen. Diese basiert auf gut verfügbare, günstige Metalle und weist eine vielversprechende chemische Aktivität auf. Die an dem Projekt beteiligten Institutionen arbeiten parallel an verschiedenen Ansätzen. „Der komplementäre Ansatz ist etwas Besonderes: 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„, erklärt Dr. Clemens Kubeil von der Abteilung Wasserstofftechnologie am Fraunhofer IFAM in Dresden die Vorgehensweise.

AEM-Elektrolyse als kostengünstige Alternative

Am Fraunhofer IFAM soll sowohl die elektrochemische Aktivität des Katalysators als auch die elektrische Kontaktierung der Elektroden und der Elektrolytfluss optimiert werden. Die Forscher:innen hoffen, unter Einsatz des Katalysators die für die Sauerstoffentstehung benötigte elektrische Energie verringern zu können. Das Resultat wären effizientere AEM-Elektrolyseure. Die AEM-Elektrolyse könnten dann die bisher verbreiteteren Verfahren AEL und PEM-EL ergänzen und teilweise auch ersetzen. Vor allem preislich wäre die AEM-Elektrolyse dann die beste Alternative, da die benötigten Rohstoffe kostengünstig verfügbar sind. „Ein weiterer Vorteil liegt 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 leichter eingespeist werden kann. Dies wiederum ermöglicht das schnellere Hoch- und Herunterfahren und den Teillastbetrieb von Systemen – all das ist sehr interessant, wenn man eine Anwendung in den fluktuierenden Markt einbringen will„, erklärt Kubeil.

via Fraunhofer-Gesellschaft