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

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Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angew. Materialforschung - IFAM -

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.

Forschungsprojekt soll AEM-Elektrolyse effizienter machen

Genau mit dieser Problematik befasse sich das Projekt „HighHy“. Denn die deutsch-neuseeländische Zusammenarbeit, die im Rahmen der „Forschungskooperation Grüner Wasserstoff mit Neuseeland“ des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert wird, hat die Entwicklung von OER-Katalysatoren zum Ziel und wird infolgedessen auch für hocheffiziente AEM-Elektrolyseure sorgen. Die Suche nach der Idealen Zusammensetzung für die neue Art von Katalysastoren geschieht in Zusammenarbeit mit drei neuseeländischen Universitäten und der Universität Bayreuth und eben dem Fraunhofer IFAM.

Nickel und Mangan als günstige Katalysator-Elemente

Um mittels AEM-Elektrolyse grünen Wasserstoff im Industriemaßstab zu gewinnen, wollen die Forscher Nickel-Mangan-Verbindung als OER-Katalysator einsetzen. Die Mischung biete entscheidende Vorteile, denn beide Metalle sind rohstoffseitig gut verfügbar und auch noch recht günstig. Gleichzeitig könnten sie mit vielversprechender chemischer Aktivität punkten. Mit dem Ziel vor Augen, eine ideale Verbindung für die industrielle Anwendung zu entwickeln, arbeiten die Teams aber parallel an verschiedenen Lösungen, heißt es. Der komplementäre Ansatz gilt als etwas Besonderes, denn die Projektpartner erprobten viele unterschiedliche Synthesemethoden, Zusammensetzungen, Oberflächenstrukturen und Materialgrößen für die Beschichtung der Katalysatoren. Am Ende soll aber nur eine – die beste – ausgewählt und anhand eines Demonstrators, der in Neuseeland entstehe, umfassend getestet werden.

Das Team des Fraunhofer IFAM bringt in die Katalysatorentwicklung seine Expertise für pulvermetallurgische Strategien ein. Außer der elektrochemischen Aktivität des Katalysators gilt es nämlich, die elektrische Kontaktierung der Elektroden sowie den Elektrolytfluss zu optimieren und dabei die bei der Elektrolyse entstehenden Gasblasen von der Elektrode sinnvoll abzuleiten. Dafür spiele Know-how rund um poröse Strukturen, wie sie auch beim Einsatz von Nickel-Mangan-Pulver für die Beschichtung entstehen, eine entscheidende Rolle. Insgesamt erhoffen sich die Forscher, dass durch die neuen Katalysatoren die für die Sauerstoffentstehung notwendige elektrische Energie verringert und somit die Effizienz der AEM-Elektrolyse gesteigert werden kann.

Günstigere Wasserstoffelektrolyse trotz Flatterstrom

Das Potenzial einer industriell anwendbaren AEM-Elektrolyse ist groß. Die EU-Ziele für den Energieeinsatz bei der Elektrolyse mit dem neuen Verfahren liegen für das Jahr 2030 bei etwa 48 Kilowattstunden pro Kilogramm hergestelltem Wasserstoff. Damit könnte die AEM-EL rund 80 Prozent Effizienz und damit ähnliche Werte erreichen, wie die bisher etablierten Verfahren AEL und PEM-EL – das aber bei deutlich höherer Flexibilität hinsichtlich gefahrener Lasten und Einsatzorte sowie entscheidend geringeren Materialkosten, wie die Forscher betonen. Heruntergerechnet auf den entstehenden Wasserstoff liege das Preisziel für die Anschaffungskosten des AEM-Elektrolyse-Systems bei etwa 300 Euro je installierter Kilowattstunde. Die PEM-EL liegen dagegen bei rund 500 Euro. Selbst bei der klassischen alkalischen Elektrolyse setze man derzeit noch 400 Euro als Ziel an. Folglich ist die AEM-EL die einzig ernstzunehmende Elektrolysevariante, was den Preis angeht. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass aufgrund der gasdichten Membran sowie des geringer konzentrierten Elektrolyts und asymmetrischen Elektrolytflusses unter großen Drücken produziert werden kann, wie die Forscher anmerken. Dadurch ließe sich sehr reiner und gleichzeitig komprimierter Wasserstoff herstellen, der leichter eingespeist werden könne. Dieser Effekt wiederum ermögliche das schnellere Hoch- und Herunterfahren und den Teillastbetrieb von Herstellungssystemen, was mit Blick auf einen fluktuierenden Markt Vorteile bringe.

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