Elektrolyseure für die Energiewende: Anleitung zur Entwicklung neuer Materialien

Forschende legen die Basis für eine Wasserstoffproduktion in industrieller Größenordnung

11.09.2024

Doris Segets (links) und Ulf-Peter Apfel arbeiten gemeinsam daran, neue Katalysatoren für die Wasserstoffproduktion zu entwickeln.

Im Jahr 2030 will die Bundesregierung bis zu 50 Prozent des deutschen Wasserstoff-Bedarfs im Land produzieren lassen. Um das zu erreichen, sind eine Elektrolyse-Kapazität von einer Million Kilowattstunden und die Skalierung der Hightech-Geräte von den idealen Laborbedingungen in die realen Industriemaßstäbe erforderlich. Erstmals konnten Forschende der Universität Duisburg-Essen, der Ruhr-Universität Bochum, des Zentrums für Brennstoffzellentechnik, des Fraunhofer-Instituts für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT und des Max-Planck-Instituts für Chemische Energiekonversion nun zeigen, wie neue Materialien für die elektrochemischen Prozesse im Labormaßstab identifiziert und anschließend in ein anwendungsnahes System überführt werden können. Ihre Anleitung zur Materialentwicklung wurde kürzlich in Carbon Energy* veröffentlicht.

Elektrolyseure sind Vorrichtungen, um eine Substanz in ihre Bestandteile zu zerlegen. Bei der Wasserstoffgewinnung wird beispielsweise ein Wassermolekül durch den Einsatz von Strom in zwei Wasserstoffatome und ein Sauerstoffatom aufgespalten. Um diese Reaktion in Gang zu bringen und zu beschleunigen, sind Katalysatoren erforderlich. Doch trotz umfangreicher Bemühungen, solche Katalysatoren zu entwickeln, ist es noch nicht gelungen, Materialien für den flächendeckenden Einsatz in der Industrie herzustellen. „In der Praxis müssen die Materialien nicht nur im Labor, sondern auch unter realen Industriebedingungen funktionieren – und das für mindestens zehn Jahre. Angesichts der Vielfalt an potenziellen Materialien und unterschiedlichen Testmethoden gestaltet sich die Auswahl jedoch zunehmend schwierig“, wie Erstautor Dr. Philipp Gerschel von der Ruhr-Universität Bochum (RUB) betont.

„Am Beispiel der alkalischen Sauerstoffentwicklung fokussieren wir uns im Artikel auf den Übergang von der Grundlagenforschung zur Anwendungsreife“, erklärt Prof. Dr. Ulf-Peter Apfel (RUB/Fraunhofer UMSICHT). Die Sauerstoffentwicklung ist eine Teilreaktion der Wasserstoffgewinnung – und zugleich ein Schwachpunkt der Katalysatorenentwicklung, da sich während des Prozesses die Zusammensetzung der Katalysatorenoberfläche verändert, was deren katalytische Eigenschaften verschlechtert.

Screening möglicher Materialien

„In diesem Kontext haben wir einen kohärenten Workflow für das schnelle Screening einer Vielzahl möglicher Anodenmaterialien entwickelt, der einen zuverlässigen Materialvergleich über verschiedene Forschungsgruppen hinweg ermöglicht“, erklärt Prof. Dr. Doris Segets von der Universität Duisburg-Essen. „Der Workflow ist für verschiedene AEM-Elektrolysetests anwendbar und erfasst zudem Informationen zur Elektrodenstruktur als Bindeglied zwischen Materialdaten und elektrochemischen Kennwerten.“ Bei der AEM-Elektrolyse handelt es sich um ein neues Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff das ohne Edelmetalle als Katalysatoren auskommt.

Dieser Prozess könnte die Katalysatorentwicklung maßgeblich voranbringen und binnen zehn Jahren eine flächendeckende Produktion von Elektrolyseuren ermöglichen. Der umfassende Ablauf zur Identifizierung und systematischen Überführung der Materialien in den Industriemaßstab ist Ergebnis einer herausragenden Kooperation der Universität Duisburg-Essen, des Zentrums für Brennstoffzellentechnik der Ruhr-Universität Bochum, des Fraunhofer UMSICHT und des Max-Planck-Instituts für Chemische Energiekonversion im Rahmen des Dimension-Projekts. Insgesamt beteiligt sind 18 Forschende aus verschiedenen Disziplinen, von der Chemie bis hin zur Verfahrenstechnik.

Originalveröffentlichung

Philipp Gerschel, Steven Angel, Mohaned Hammad, André Olean‐Oliveira, Blaž Toplak, Vimanshu Chanda, Ricardo Martínez‐Hincapié, Sebastian Sanden, Ali Raza Khan, Da Xing, Amin Said Amin, Hartmut Wiggers, Harry Hoster, Viktor Čolić, Corina Andronescu, Christof Schulz, Ulf‐Peter Apfel, Doris Segets; "Determining materials for energy conversion across scales: The alkaline oxygen evolution reaction"; Carbon Energy, 2024-9-6

https://www.chemie.de/news/1184396/elektrolyseure-fuer-die-energiewende-anleitung-zur-entwicklung-neuer-materialien.html