Technologie

Elektrolyse hochskalieren

09.11.2021 - Projekt untersucht Einsatz der PEM-Elektrolyse im Gigawatt-Maßstab.

Die Technische Universität Ilmenau startet das Forschungsprojekt StacIE, das die Herstellung des Energieträgers Wasserstoff umwelt­schonend und kosten­günstiger machen soll. Derzeit werden rund 96 Prozent des Wasserstoffs aus fossilen Brennstoffen produziert – umweltschädliches Kohlendioxid wird freigesetzt. Werden hingegen erneuerbare Energien verwendet, gewinnt man Wasserstoff Kohlendioxid-frei. Doch noch ist die Herstellung von grünem Wasserstoff teuer.

 

Das auf vier Jahre angesetzte StacIE-Projekt ist Teil des vom Bundes­ministeriums für Bildung und Forschung geförderten Leitprojekts H2Giga, das die industrielle Serienfertigung von Elektrolyseuren zur Herstellung von Wasserstoff anstrebt. Das Ziel: große Mengen des sauberen Energieträgers und drastisch reduzierte Herstellungskosten.

Von vielen wird Wasserstoff als der Energieträger der Zukunft gesehen. Das am häufigsten vorkommende chemische Element im Universum ist, da es in Wasser steckt, leicht verfügbar und sauber. Und vielseitig einsetzbar: als Treibstoff für Brennstoffzellen-Fahrzeuge und im Schwerlastverkehr, im Schienen- und im Schiffsverkehr oder als Rohstoff für die Chemie- oder Stahlindustrie.

Die konventionelle Herstellungs­methode von Wasserstoff ist die Dampfreformierung von Erdgas. Das Verfahren ist technisch ausgereift und relativ kostengünstig, es hat aber einen gravierenden Nachteil: Es entsteht Kohlendioxid. Doch Wasserstoff kann auch per Wasser­elektrolyse mit Strom erzeugt werden. Daher gilt grüner Wasserstoff als das Schlüssel­element, das umweltschädliche fossile Brennstoffe langfristig ersetzen könnte. Ziel ist es, den Ausstoß an Kohlendioxid in Deutschland bis zum Jahr 2030 um 55 Prozent und bis 2050 um 95 Prozent zu reduzieren.

Das neue Verfahren, das zur Herstellung von CO2-freiem Wasserstoff angewendet wird, ist die Proton-Exchange-Membrane-Elektrolyse. Dabei wird Wasser mit Hilfe von elektrischem Strom in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. Die Vorteile dieser PEM-Elektrolyse: Sie ist flexibel und kann innerhalb von Milli­sekunden auf die großen Sprünge bei der Stromproduktion von Wind- und Solaranlagen reagieren. Zudem werden im Gegensatz zu anderen Elektrolysearten bei der PEM-Elektrolyse keine bedenklichen Chemikalien benötigt. Der große Nachteil ist der hohe Preis. Durch die aufwändige Herstellung der Anlagen in Einzel­fertigung sind die Kosten hoch und müssen auf den Wasserstoff­preis umgelegt werden. Zudem erhöhen die als Katalysator­material verwendeten Edelmetalle den Preis zusätzlich.

Im Projekt StacIE („Stack Scale-up – Industrialisierung PEM Elektrolyse“) strebt die TU Ilmenau gemeinsam mit neun weiteren Projektpartnern aus Industrie und Forschung ein Upscaling der PEM-Elektrolyse in den Gigawatt-Maßstab an. Ambitionierte Ziele: Eine Effizienz über 75 Prozent, eine höhere Lebensdauer von mehr als 80.000 Stunden, geringere Herstellungs­kosten und groß­serien­taugliche Produktions­verfahren. Das Forscherteam um Andreas Bund, Leiter des Fachgebiets Elektro­chemie und Galvano­technik der TU Ilmenau, will dabei zur Weiterentwicklung der sogenannten Stack-Technologie beitragen. Bei Stacks werden einzelne Elektrolysezellen zu einer Einheit zusammengefasst und elektrisch in Reihe miteinander zu einem Zellen­stapel verschaltet. Das Fertigungs­verfahren soll vereinfacht und die Komponenten für die Elektrolyseure leistungs­fähiger gemacht werden. Auf diese Weise effizient, günstig und nachhaltig hergestellter Wasserstoff könnte in der Zukunft, so das Ziel des Bundesleit­projekts H2Giga, in ein deutschlandweites Verteilnetz für Wasserstoff eingespeist werden.

TU Ilmenau / DE

 

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