Kompetenzen für das Wasserstoff-Zeitalter

Vom Material zum System: die technische Basis

Wasserstoff wird als Energieträger und chemischer Rohstoff einen entscheidenden Beitrag dazu leisten, die Klimaziele zu erreichen. Dies kann jedoch nur gelingen, wenn die Systeme zu Erzeugung, Speicherung, Transport und Nutzung von H2 optimiert, also energieeffizienter, robuster, sicherer und wirtschaftlicher werden. Fraunhofer leistet mit seinen Kompetenzen einen entscheidenden Beitrag dazu. 

Elektrolyseure: Vom Strom zum Wasserstoff

Zur Erzeugung von Wasserstoff wird Wasser mithilfe von elektrischem Strom in H2 und O2 zerlegt. Jede Art der Elektrolyse bringt spezifische Vorteile mit sich, sodass die Wahl der geeigneten Technologie je nach Einsatzszenario unterschiedlich ausfallen kann. Fraunhofer-Forscherinnen und -Forscher verfügen bei allen Elektrolysearten über große Kompetenz und können viel dazu beitragen, die Elektrolyse weiter voranzubringen. Während die wässrige alkalische Elektrolyse (AEL) und zu weiten Teilen auch die saure Membran-Elektrolyse – PEM-Elektrolyse genannt – technisch recht ausgereift sind, sind bei der alkalischen Membran-Elektrolyse und der Hochtemperatur-Elektrolyse noch technologische Fragen zu klären.

Die robusten Elektrolyseure für AEL kamen bisher in Kraftwerken und Chemieanlagen mit stationärer Belastung zum Einsatz, in denen die Last stets gleich blieb. Nun steht jedoch ein Paradigmenwechsel an: Durch die regenerativen Energien entstehen starke Lastschwankungen, die neue Konzepte erfordern. Fragen rund um diese Dynamik untersucht das Fraunhofer IFAM im Technikumsmaßstab: in einer Anlage mit einer Leistung von 30 Kilowatt. Partnern bietet das Institut Dienstleistungen für die Analyse des Realverhaltens von AEL-Elektrolyseuren an.

Jünger als die AEL ist die PEM-Elektrolyse. Während erstere einen Technologiereifegrad von acht bis neun hat, liegt jener der PEM-Elektrolyse bei sieben bis acht. Auch sie bietet diverse Vorteile: So können die verwendeten Stromdichten sehr hoch sein, die Bauweise sehr kompakt – und das Verfahren ist dynamisch betreibbar. Aufgrund des sauren Mediums müssen die Materialien jedoch sehr robust sein. Forscherinnen und Forscher des Fraunhofer ISE entwickeln neue Membranmaterialien, verlängern die Haltbarkeit der Zellen durch eine Anti-Korrosions-Beschichtung, führen Lebensdauertests durch und wollen das Verfahren in größeren Maßstab überführen. All diese Maßnahmen können dazu beitragen, die Kosten zu senken. In fünf bis zehn Jahren dürften so die PEM-Elektrolyseure in einem vergleichbaren Preisrahmen liegen wie die alkalischen.

Prototyp eines PEM-Druckelektrolyseurs.
© Fraunhofer ISE
Prototyp eines PEM-Druckelektrolyseurs.
Stack-Design werden auf Praxistauglichkeit hin entwickelt und getestet.
© Fraunhofer IKTS
Stack-Design werden auf Praxistauglichkeit hin entwickelt und getestet.
Bereitstellung von Wasserstoff aus organischen Verbindungen basiert auf ausgeklügelten Reforming-Systemen.
© Fraunhofer IMM
Bereitstellung von Wasserstoff aus organischen Verbindungen basiert auf ausgeklügelten Reforming-Systemen.
Metallschaum-Substrat für Elektroden, mit und ohne Katalysatorschicht.
© Fraunhofer IFAM
Metallschaum-Substrat für Elektroden, mit und ohne Katalysatorschicht.

Kompaktere Elektrolyseure und kostengünstige Katalysatormaterialien lassen sich auch über alkalische Membranen realisieren. Die Grundprozesse sind im Wesentlichen geklärt, im Vordergrund stehen Fragen der Anwendung. Im Projekt REVAL optimieren Fraunhofer IFAM und Fraunhofer IMWS mit Industriepartnern die Langzeitstabilität der Elektroden. Das Vorhaben unter dem Dach der BMBF-geförderten Initiative Hydrogen Power Storage & Solutions East Germany (HYPOS) hat zum Ziel, einen langzeitstabilen und effizienten Prototyp zu entwickeln und für die Produktion vorzubereiten.

Hochtemperatur-Elektrolyse findet bei über 800 °C statt. Wo Abwärme zur Verfügung steht, kann sie ihre Stärken entfalten: Um ihre Reaktionen zu katalysieren, sind keine Edelmetalle nötig; überdies lassen sich die gleichen Systeme sowohl im Elektrolyse- als auch im Brennstoffzellenmodus nutzen. Schließlich ermöglicht sie die Co-Elektrolyse, bei der Wasser in H2 und O2 sowie CO2 in Sauerstoff und Kohlenmonoxid (CO) aufgespalten werden. Das CO bildet zusammen mit H2 das »Synthesegas«, Grundlage zur Herstellung zahlreicher Chemieprodukte. Das Fraunhofer IKTS widmet sich der Langzeitstabilität der Elektrolyseure ebenso wie dem Wirkungsgrad und den Kosten. Die Teams optimieren Materialien, fertigen die Zellen und bauen sie zu Stacks zusammen, unterziehen diese Materialtests oder integrieren sie in Systeme. So steht auch eine erste Anlage zur Kopplung von Hochtemperatur-Elektrolyse und Fischer-Tropsch-Synthese mit einem Kilowatt Leistung am Fraunhofer IKTS. In Colyssy, einem Projekt der HYPOS-Initiative, skalieren die Forscher diese für den Industrie-Einsatz auf zehn Kilowatt hoch.

Brennstoffzellen: Rückverstromung von Wasserstoff

Die im Wasserstoff gebundene Energie können Brennstoffzellen in kontrollierten Prozessen zurück in elektrische Energie verwandeln. Für stationäre Anwendungen setzt man unter anderem auf SOFC-Brennstoffzellen, kurz für »Solid Oxide Fuel Cells«. Sie eignen sich vor allem für die Kraft-Wärme-(Kälte-)Kopplung und können statt mit reinem H2 auch mit Kohlenwasserstoffen betrieben werden. Das Fraunhofer IKTS hat ein SOFC-System entwickelt, mit dem sich Strom und Wärme hocheffizient herstellen lassen – etwa für die netzferne Versorgung. Das Fraunhofer IKTS arbeitete z.B. an planaren Zellen und Stacks und entwickelte die Technologie etwa mit der Dresdner Firma Sunfire bis zur Marktreife.

In Fahrzeugen haben sich PEM-Brennstoffzellen durchgesetzt, denn sie erzielen eine hohe Leistungsdichte und sehr hohe Dynamiken. Hier dienen die Beschichtungen einer Membran als Elektroden. Man spricht dabei auch von einer »Membran-Elektrolyt-Einheit«, kurz MEA. Im Projekt HyFab arbeitet das Fraunhofer ISE mit Förderung des Landes Baden-Württemberg daran, die funktionalen Zusammenhänge in der Katalysatorschicht aufzuklären sowie Prozesstechnologien für die Massenproduktion von MEAs zu optimieren.

Ein reibungsloser Betrieb der Brennstoffzelle erfordert, dass der Stack dicht bleibt. Daran arbeitet das Fraunhofer IWU mit der TU Chemnitz und Industriepartnern: Smarte Dichtungen erkennen, wenn sich die Vorspannung des Stacks während des Betriebs ändert. Mithilfe von Formgedächtnislegierungen wird dann die optimale Vorspannkraft wiederhergestellt.

Systeme zum Reforming

Derzeit entsteht Wasserstoff meist nicht aus Wasserelektrolyse, sondern durch Reformierung, basierend auf organischen Verbindungen – im einfachsten Fall Methan oder Methanol. Auch diese Art der H2-Herstellung kann in einer nachhaltigen Industrie eine Funktion erfüllen, wenn etwa die organischen Verbindungen aus Biomasse stammen und wenn das entstehende CO2 dem globalen Kreislauf entzogen wird. Mehrere Fraunhofer-Institute arbeiten an der Optimierung der zugrunde liegenden Reformersysteme: Das Fraunhofer IMM entwickelt Komplettlösungen für Brennstoffaufbereitung und -synthese vom Labor- über den Pilotmaßstab bis zur Serienreife. Das Fraunhofer IKTS widmet sich dem Brenner, vielmehr seinem Herzstück, der Schaumkeramik. Für eine lange Lebensdauer muss diese äußerst hochtemperatur- und thermoschockbeständig sein. Offenzellige Schaumkeramiken aus Siliciumcarbid sind hierfür besonders geeignet. Die Forscherinnen und Forscher legen diese zellulären Keramiken gezielt auf die Brenner- oder Reformerart auf und entwickeln sie weiter. Spezielle Schaumkeramiken des IKTS verfügen über eine besonders hohe Festigkeit im Temperaturbereich bis 1300 °C.

Schlüsselelement Katalysatoren

Leistungsfähige und preiswerte Katalysatoren sind für effiziente Elektrolyseure oder Brennstoffzellen unerlässlich. Hier haben mehrere Fraunhofer-Institute große Expertise aufgebaut mit dem Ziel, sowohl den Einsatz von Edelmetallen zu reduzieren als auch die Effizienz zu steigern. Im Elektrolyseur gelten dabei für die Wasserstoff- völlig andere Anforderungen als für die Sauerstoff-Elektrode. So haben etwa Forscherinnen und Forscher des Fraunhofer ICT im BMBF-Projekt HyCOn geträgerte Katalysatoren auf Iridiumoxidbasis für die Produktion von Sauerstoff entwickelt. Sie untersuchen auch die Steigerung der Aktivität durch Mischoxidbildung oder die Fehlstellenbildung durch Dotierung mit Halogeniden. Auf Basis solcher Vorarbeiten arbeitet das Fraunhofer ICT schließlich an bifunktionellen Sauerstoffkatalysatoren für unitäre reversible Brennstoffzellen auf PEM-Basis. Auch für unterschiedliche Typen von elektrochemischen Zellen im Nieder- und Mitteltemperaturbereich (bis etwa 200 °C) entwickelt das Fraunhofer ICT Elektrokatalysatoren. So arbeiten die Forscherinnen und Forscher etwa an der Verbesserung von Elektroden für die Hochtemperatur-PEM-Brennstoffzelle. Im Auftrag des Bundesministeriums der Verteidigung entwickelt das Fraunhofer ICT für diesen Brennstoffzelltyp Materialien und Systeme, die mit logistischen Treibstoffen arbeiten können. Neue Katalysatoren für die Wasser- und CO2-Elektrolyse entwickeln auch die Kolleginnen und Kollegen vom Fraunhofer UMSICHT.

Speicherverfahren

Unterschiedliche Anwendungen von Wasserstoff erfordern auch unterschiedliche Konzepte für Speicherung und Transport des begehrten Gases. Für Transporte unter 100 Kilometern entwickelt das Fraunhofer IFF einen portablen, modularen H2-Speicher, der weniger als 750 Kilogramm wiegt und sich auf »grüne« Kleintransporter laden lässt. Speichern lässt sich Wasserstoff auch in LOHC-Speichern, kurz für »Liquid Organic Hydrogen Carrier«. Dabei wird H2 chemisch an ein Trägeröl gebunden – aufwendige Druckspeicher oder Kühlanlagen sind überflüssig. Europas ersten LOHC-Speicher neuester Generation haben Forscher am Fraunhofer IAO aufgebaut: Er hat eine Speicherkapazität von 2000 Kilowattstunden. Das Fraunhofer IFAM in Dresden entwickelt als Alternative eine einfach handhabbare »PowerPaste«, in der sich Wasserstoff bei Raumtemperatur und Umgebungsdruck chemisch speichern lässt. Wird er benötigt, lässt er sich über die Zugabe von Wasser bedarfsgerecht freisetzen.