Bezahlbare Zukunftsenergie AEM-Elektrolyse – Der günstigere Weg zu grünem Wasserstoff

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Soll die Energiewende gelingen, braucht es viel Wasserstoff. Im Projekt „HighHy“ arbeiten deutsche Forscher mit Neuseeländern daran, die neuartige AEM-Elektrolyse für grünen Wasserstoff zu optimieren.

Wie werden wir uns in Zukunft fortbewegen? Wie unsere Industrieanlagen betreiben und Energie über längere Zeiträume zwischenspeichern? Wasserstoff als Treibstoffalternative – am besten aus regenerativen Energiequellen gewonnen – kristallisiert sich dabei als eine der Antworten heraus.Einsetzbar sowohl im Straßenverkehr als auch in der Industrie und Wärmeversorgung gilt das leichteste Element im Periodensystem als wahres Multitalent. Speziell weil Wasserstoff (chemisch H₂) so flexibel hinsichtlich seiner Anwendungsmöglichkeiten ist, werden in Zukunft voraussichtlich große Mengen davon benötigt. Der massenhaften Herstellung stünden derzeit aber noch einige Hürden im Weg – einige von ihnen möchte das Projektteam von „HighHy mit der Entwicklung von Katalysatoren für eine effiziente und damit günstige Wasserstoffproduktion zu nehmen helfen.

So sieht die Wasserstoffgewinnung heute aus

Im industriellen Maßstab lässt sich Wasserstoff durch Elektrolyse herstellen. Wassermoleküle werden dabei in mit einem Leitsalz versetzten Wasser – dem sogenannten Elektrolyten – mittels elektrischer Energie in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten. Die Energie wird in Form von chemischen Bindungen im Wasserstoff aufgenommen und gespeichert. Das Gas biete folglich eine attraktive Möglichkeit, Energie, die etwa durch starken Wind oder Sonne in Windkraft- oder Solaranlagen entsteht und nicht direkt ins Netz eingespeist werden kann, langfristig zu speichern. Solchen durch regenerative Energiequellen erzeugten Wasserstoff bezeichnet man als grün. Für die Herstellung größerer Wasserstoffmengen werden derzeit folgende Elektrolyseverfahren bevorzugt.

Technisch relevant und historisch am weitesten verbreitet ist die alkalische Elektrolyse (AEL), bei der dem Wasser zum Beispiel Kaliumhydroxid zugegeben wird. Ein Nachteil ist der geringe untere Teillastbereich. Das heißt, dass bei Nutzung eines fluktuierenden Stromangebots, wie es bei Solar- oder Windkraftanlagen aufgrund der wetterbedingten Schwankungen typisch ist, nicht die gesamte Bandbreite als elektrische Last abgenommen werden kann.

Bei der Elektrolyse mit einem Protonenaustausch-Membranelektrolyseur (Proton Exchange Membrane, PEM-EL) wandern Wasserstoffionen in stark saurer Umgebung durch eine gasdichte Membran, die in direktem Kontakt zu den Elektroden steht (sogenannte Membran-Elektroden-Einheit oder Membrane Electrode Assembly = MEA). Dieser Ansatz ist leistungsstark und bringt ein sehr dynamisches Lastverhalten bei stets hoher Gasreinheit mit sich – allerdings benötigt man für die Elektroden seltene und teure Edelmetalle wie Iridium, die der stark korrosiven, sauren Umgebung standhalten, sowie teure Membranen.

Neue Katalysatoren für eine effizientere AEM-Elektrolyse

Eine vergleichsweise neue Methode stellt die Elektrolyse mittels Anionenaustauschmembranen (Anion Exchange Membran = AEM) dar. Sie vereint die Vorteile der AEL, mit ihrer hohen Langzeitstabilität sowie dem Einsatz von gut verfügbaren und relativ billigen Metallen, mit denen der PEM-EL, also der höheren Leistung, der Anpassbarkeit an unterschiedliche Lasten und der Gasreinheit, wie die Forscher erklären. In der industriellen Anwendung konnte sich die AEM-Elektrolyse aber bisher noch nicht durchsetzen, weil die in ihr stattfindende Sauerstoff-Entwicklungs-Reaktion (Oxygen Evolution Reaction = OER) zu langsam abläuft, wenn keine Edelmetalle genutzt werden, wie es weiter heißt. Infolgedessen ist die benötigte Zellspannung der Wasserelektrolyse für die angestrebten Stromdichten und somit für den Energiebedarf zur Wasserstoffherstellung sehr hoch.

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