Wasserstoff als Energieträger Forscher suchen nach kostengünstiger Elektrolysetechnik

Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Tobias Hüser

Im Projekt Ekolyser entwickeln Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich Methoden für die Produktion von Wasserstoff mittels Elektrolyse von Wasser. In einer neuen Testanlage erprobten sie robustere und kostengünstige Werkstoffe. Der Prototyp hat nun seine vorgesehene Laufzeit von 1000 Stunden erreicht. Bis 2020 soll die entwickelte Technologie für die breite Anwendung einsatzfähig sein.

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Der Ekolyser-Prototyp des Jülicher Instituts für Energie- und Klimaforschung hat seine vorgesehene Laufzeit von 1000 Stunden erreicht.
Der Ekolyser-Prototyp des Jülicher Instituts für Energie- und Klimaforschung hat seine vorgesehene Laufzeit von 1000 Stunden erreicht.
(Bild: Forschungszentrum Jülich)

Jülich  – Wasserstoff ist ein universell einsetzbarer Energieträger und kann in ein Gasnetz eingespeist oder zu flüssigen Kraftstoffen weiterverarbeitet werden. Mit entsprechenden Brennstoffzellen ausgestattete Fahrzeuge können Wasserstoff auch direkt als Treibstoff nutzen. Als Abgas entsteht bei der Reaktion lediglich Wasser. Wasserstoff kommt nicht frei in der Natur vor, er muss unter Energieaufwand erzeugt werden. Dies geschieht zum Beispiel durch die Spaltung von Wasser mithilfe elektrischer Energie.

Bei der modernen Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM)-Elektrolyse wird destilliertes Wasser durch elektrischen Strom an Elektroden in Sauerstoff, freie Elektronen und positiv geladene Wasserstoff-Ionen (Protonen) gespalten. Die Ionen treten durch eine Membran und verbinden sich mit den Elektronen zu Wasserstoff. Für ein effizientes System werden mehrere dieser Zellen in sogenannten Stacks hintereinander geschaltet. Separatorplatten, gewöhnlich aus Titan, trennen die Zellen eines solchen Stacks.

Mehr Wasserstoff für einen hohen Preis

Im Gegensatz zu anderen Elektrolysearten benötigt die PEM-Elektrolyse keine bedenklichen Chemikalien. Sie ist außerdem leistungsfähiger: Die Zellen sind kleiner und es wird mehr Wasserstoff produziert. Ihr Nachteil ist der hohe Preis. Der Wirkungsgrad beträgt derzeit rund 70 %: knapp ein Drittel der Energie geht verloren. Der hergestellte Wasserstoff ist zu teuer, insbesondere die als Katalysatormaterial und Separatoren verwendeten Edelmetalle treiben den Preis in die Höhe.

Im Rahmen des Projektes Ekolyser, das vom Institut für Energie- und Klimaforschung koordiniert wird, entwickelten die Forscher kostengünstige nachhaltige Materialien für die PEM-Elektrolyse. Erforscht werden u.a. neue, robustere Membrantypen mit erhöhter Leitfähigkeit, die die Effizienz der Elektrolyse verbessern. Der Edelmetallanteil in den Katalysatorbeschichtungen und Separatorplatten soll stark reduziert oder sogar vollständig durch preiswertere Materialien ersetzt werden.

1000-Studen-Praxistest erfolgreich bestanden

Die Forscher untersuchten eine Vielzahl von verschiedenen Materialien und Beschichtungen und unterzogen sie Langzeitprüfungen in Test-Elektrolyseuren. Der neueste Prototyp arbeitet mit speziell entwickelten Katalysatorschichten und Separatorplatten, in denen Titan durch strukturierte Edelstahlbleche ersetzt wurde. Der veranschlagte 1000-Stunden-Praxistest ist nun erfolgreich beendet worden.

Als nächster Schritt ist eine größere Testanlage geplant. Die aktive Fläche der einzelnen Zellen des derzeitigen Prototypen beträgt 300 cm2, in einem geplanten neuen Zellstapel sollen es 1000 cm2 pro Zelle werden. Damit ließe sich dann schon mehr als ein Megawatt elektrischer Leistung in Wasserstoff wandeln und speichern. Zum Vergleich: die Nennleistung großer Windenergieanlagen liegt etwa zwischen zwei und sieben Megawatt.

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