Soll die Energiewende gelingen, werden gro\u00dfe Mengen an Wasserstoff ben\u00f6tigt. Im Projekt HighHy arbeitet ein internationales Forscherteam aus Deutschland und Neuseeland daran, die noch junge Technologie der AEM-Elektrolyse zur Herstellung von gr\u00fcnem Wasserstoff effizienter zu machen. Daf\u00fcr setzen Wissenschaftler vom Fraunhofer-Institut f\u00fcr Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM in Dresden auf die gut verf\u00fcgbaren und ressourcenschonenden Metalle Mangan und Nickel \u2013 und wollen das vielversprechende Elektrolyseverfahren so in die gro\u00dffl\u00e4chige industrielle Anwendung bringen. Neben geringeren Kosten im Vergleich zu den derzeit g\u00e4ngigen Verfahren bietet die neue Technologie eine Reihe weiterer Vorteile.<\/b><\/p>\n
Wie werden wir uns in Zukunft fortbewegen? Wie unsere Industrieanlagen betreiben und Energie \u00fcber l\u00e4ngere Zeitr\u00e4ume zwischenspeichern? F\u00fcr viele Herausforderungen, die mit der Energiewende einhergehen, k\u00f6nnte Wasserstoff die L\u00f6sung sein: Einsetzbar sowohl im Stra\u00dfenverkehr als auch in der Industrie und W\u00e4rmeversorgung ist das leichteste Element im Periodensystem ein wahres Multitalent. Gerade weil Wasserstoff so flexibel hinsichtlich seiner Anwendungsm\u00f6glichkeiten ist, werden in Zukunft voraussichtlich gro\u00dfe Mengen davon ben\u00f6tigt. Die massenhafte Herstellung steht derzeit aber noch vor vielf\u00e4ltigen Herausforderungen \u2013 einigen von ihnen m\u00f6chte das Projektteam von HighHy mit der Entwicklung von Katalysatoren f\u00fcr eine hocheffiziente und zugleich kosteng\u00fcnstige Wasserstoffproduktion begegnen.<\/p>\n
Im industriellen Ma\u00dfstab l\u00e4sst sich Wasserstoff durch Elektrolyse herstellen: Wassermolek\u00fcle werden in mit einem Leitsalz versetzten Wasser \u2013 dem sogenannten Elektrolyten \u2013 mittels elektrischer Energie in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten. Die Energie wird in Form von chemischen Bindungen in Wasserstoff aufgenommen und gespeichert. Das Gas bietet somit eine attraktive M\u00f6glichkeit, 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 \u00bbgr\u00fcn\u00ab.<\/p>\n
Derzeit sind im gr\u00f6\u00dferen Ma\u00dfstab vor allem drei Elektrolyseverfahren im Einsatz. 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 hei\u00dft, dass bei Nutzung eines fluktuierenden Stromangebots nicht die gesamte Bandbreite als elektrische Last abgenommen werden kann. Bei der Elektrolyse mit einem Protonenaustauschmembran-Elektrolyseur (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 erm\u00f6glicht eine hohe Leistungsdichte und ein sehr dynamisches Lastverhalten bei stets hoher Gasreinheit \u2013 allerdings ben\u00f6tigt man f\u00fcr die Elektroden seltene und teure Edelmetalle wie Iridium, die der stark korrosiven Umgebung standhalten, sowie teure Membranen.<\/p>\n
Eine vergleichsweise neue Methode stellt die Elektrolyse mittels Anionenaustauschmembranen (Anion Exchange Membran, AEM) dar. Sie vereint die Vorteile der AEL, mit ihrer hohen Langzeitstabilit\u00e4t sowie dem Einsatz von gut verf\u00fcgbaren und kosteng\u00fcnstigen Metallen, mit denen der PEM-EL, also der h\u00f6heren Leistung, der Anpassbarkeit an unterschiedliche Lasten und der Gasreinheit. In der industriellen Anwendung konnte sich die AEM-Elektrolyse bislang noch nicht durchsetzen, da die in ihr stattfindende Sauerstoff-Entwicklungs-Reaktion (Oxygen Evolution Reaction, OER) bei Verwendung von Nicht-Edelmetallen mit zu geringer Geschwindigkeit abl\u00e4uft. Infolgedessen ist die ben\u00f6tigte Zellspannung der Wasser-Elektrolyse f\u00fcr die angestrebten Stromdichten und somit der Energiebedarf f\u00fcr die Wasserstoffherstellung sehr hoch.<\/p>\n
Genau mit dieser Problematik befasst sich das Projekt HighHy: Die deutsch-neuseel\u00e4ndische Zusammenarbeit, die im Rahmen der \u00bbForschungskooperation Gr\u00fcner Wasserstoff mit Neuseeland\u00ab des Bundesministeriums f\u00fcr Bildung und Forschung (BMBF) gef\u00f6rdert wird, hat die Entwicklung von OER-Katalysatoren und in der Folge von hocheffizienten AEM-Elektrolyseuren zum Ziel. \u00bbZusammen mit drei neuseel\u00e4ndischen Universit\u00e4ten und der Universit\u00e4t Bayreuth suchen wir nach der idealen Zusammensetzung f\u00fcr die ben\u00f6tigten Katalysatoren\u00ab, fasst Dr. Christian Bern\u00e4cker, Leiter der Arbeitsgruppe Elektrochemische Technologie am Fraunhofer IFAM, das Ziel des Projekts zusammen.<\/p>\n
Um mittels AEM-Elektrolyse gr\u00fcnen Wasserstoff im Industriema\u00dfstab zu gewinnen, wollen die Forschenden im Projekt HighHy eine innovative Nickel-Mangan-Verbindung als OER-Katalysator einsetzen. Die Mischung bietet entscheidende Vorteile: Beide verwendeten Metalle sind rohstoffseitig gut verf\u00fcgbar und kosteng\u00fcnstig. Gleichzeitig k\u00f6nnen sie mit vielversprechender chemischer Aktivit\u00e4t punkten. Mit dem Ziel vor Augen, eine ideale Verbindung f\u00fcr die industrielle Anwendung zu entwickeln, arbeiten die Teams der an HighHy beteiligten Institutionen parallel an m\u00f6glichen L\u00f6sungen. Dr. Clemens Kubeil, wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Abteilung Wasserstofftechnologie am Fraunhofer IFAM in Dresden und dort zust\u00e4ndig f\u00fcr das Projekt, beschreibt die Vorgehensweise: \u00bbDer komplement\u00e4re Ansatz ist etwas Besonderes: Die Projektpartner erproben viele unterschiedliche Synthesemethoden, Zusammensetzungen, Oberfl\u00e4chenstrukturen und Materialgr\u00f6\u00dfen f\u00fcr die Beschichtung der Katalysatoren. Am Ende soll aber nur eine \u2013 die beste \u2013 L\u00f6sung ausgew\u00e4hlt und anhand eines Demonstrators, der in Neuseeland entsteht, umfassend getestet werden.\u00ab<\/p>\n
Das Team des Fraunhofer IFAM bringt in die Katalysator-Entwicklung seine Expertise f\u00fcr pulvermetallurgische Strategien ein: Neben der elektrochemischen Aktivit\u00e4t des Katalysators gilt es, die elektrische Kontaktierung der Elektroden sowie den Elektrolytfluss zu optimieren und dabei die Gasblasen von der Elektrode vorteilhaft abzuleiten. Daf\u00fcr spielt Know-how rund um por\u00f6se Strukturen, wie sie auch beim Einsatz von Nickel-Mangan-Pulver f\u00fcr die Beschichtung entstehen, eine entscheidende Rolle. Insgesamt erhoffen sich die Forschenden, dass durch die neuen Katalysatoren die f\u00fcr die Sauerstoffentstehung notwendige elektrische Energie verringert und somit die Effizienz der AEM-Elektrolyse gesteigert werden kann.<\/p>\n
Das Potenzial einer industriell anwendbaren AEM-Elektrolyse ist gro\u00df: Die EU-Ziele f\u00fcr den Energieeinsatz bei der Elektrolyse mit dem neuen Verfahren liegen f\u00fcr das Jahr 2030 bei etwa 48 Kilowattstunden pro Kilogramm hergestelltem Wasserstoff. Damit k\u00f6nnte die AEM-EL rund 80 Prozent Effizienz und damit \u00e4hnliche Werte erreichen wie die bisher etablierten Verfahren AEL und PEM-EL \u2013 bei deutlich h\u00f6herer Flexibilit\u00e4t hinsichtlich gefahrener Lasten und Einsatzorte sowie entscheidend geringeren Materialkosten. \u00bbHeruntergerechnet auf den entstehenden Wasserstoff liegt das Preisziel f\u00fcr die Anschaffungskosten des AEM-Elektrolyse-Systems bei etwa 300 Euro je installiertem Kilowatt, wohingegen die PEM-EL bei rund 500 Euro rangiert. Selbst bei der klassischen alkalischen Elektrolyse setzt man derzeit noch 400 Euro als Ziel an. \u00bbDamit ist die AEM-EL die einzig ernstzunehmende Elektrolyse-Variante, was den Preis angeht\u00ab, fasst Clemens Kubeil zusammen. \u00bbEin weiterer Vorteil liegt darin, dass dank der gasdichten Membran sowie des geringer konzentrierten Elektrolyts und asymmetrischen Elektrolytflusses unter gro\u00dfen Dr\u00fccken produziert werden kann. Dadurch l\u00e4sst sich sehr reiner und gleichzeitig komprimierter Wasserstoff herstellen, der leichter eingespeist werden kann. Dies wiederum erm\u00f6glicht das schnellere Hoch- und Herunterfahren und den Teillastbetrieb von Systemen \u2013 all das ist sehr interessant, wenn man eine Anwendung in den fluktuierenden Markt einbringen will.\u00ab<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
Soll die Energiewende gelingen, werden gro\u00dfe Mengen an Wasserstoff ben\u00f6tigt. Im Projekt HighHy arbeitet ein…<\/p>\n","protected":false},"author":2,"featured_media":15056,"comment_status":"closed","ping_status":"closed","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"footnotes":""},"categories":[24,16],"tags":[],"series":[],"class_list":["post-35713","post","type-post","status-publish","format-standard","has-post-thumbnail","hentry","category-plas-tv-meldungen-auf-der-startseite-unterhalb-slider","category-plast-tv-textmeldungen"],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/plas.tv\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/posts\/35713","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/plas.tv\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/plas.tv\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/plas.tv\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/users\/2"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/plas.tv\/index.php?rest_route=%2Fwp%2Fv2%2Fcomments&post=35713"}],"version-history":[{"count":1,"href":"https:\/\/plas.tv\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/posts\/35713\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":35714,"href":"https:\/\/plas.tv\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/posts\/35713\/revisions\/35714"}],"wp:featuredmedia":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/plas.tv\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/media\/15056"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/plas.tv\/index.php?rest_route=%2Fwp%2Fv2%2Fmedia&parent=35713"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/plas.tv\/index.php?rest_route=%2Fwp%2Fv2%2Fcategories&post=35713"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/plas.tv\/index.php?rest_route=%2Fwp%2Fv2%2Ftags&post=35713"},{"taxonomy":"series","embeddable":true,"href":"https:\/\/plas.tv\/index.php?rest_route=%2Fwp%2Fv2%2Fseries&post=35713"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}