Die direkte Nutzung von Meer- oder Brackwasser ist insbesondere für küstennahe und Offshore-Anwendungen interessant. Wird der Strom von Windenergieanlagen unmittelbar in Wasserstoff umgewandelt, entsteht ein speicher- und transportierbarer Energieträger, der anschließend beispielsweise als chemischer Rohstoff, für die Energieversorgung oder zur Herstellung von Ammoniak und synthetischen Kraftstoffen eingesetzt werden kann. Das vom Fraunhofer IWES koordinierte Verbundprojekt SeaEly untersuchte als Teil des Ideenwettbewerbs »Wasserstoffrepublik Deutschland« von Oktober 2022 bis März 2026 die direkte Elektrolyse von Meer- und Brackwasser zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff. Beteiligt waren neben dem Fraunhofer IWES und Fraunhofer IFAM unter anderem die TU Berlin, die Whitecell Eisenhuth GmbH & Co. KG und das Institut für Seeverkehrswirtschaft und Logistik. Das Projekt wurde gefördert vom Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR).
Weniger Aufbereitung, geringere Kosten?
»Die Idee war, zu prüfen, bis zu welchem Reinheitsgrad man das Meerwasser direkt in der Elektrolyse einsetzen kann, ohne die Geräte zu überfordern«, sagt Dr. Nadine Menzel, Gruppenleiterin Elektrochemie und Analytik am Hydrogen Lab Leuna des Fraunhofer IWES. SeaEly sollte darauf Antworten geben, inwieweit Meerwasser als eine alternative Ressource zu Trink- und Brauchwasser in der Elektrolyse eingesetzt werden kann. »Am Fraunhofer IFAM haben wir für die Elektrolyse von nicht gereinigtem Meerwasser neue Membranen entwickelt und mit einem modularen elektrochemischen Prüfstand untersucht«, erklärt Andreas Brinkmann, Wissenschaftlicher Mitarbeiter aus der Abteilung Adhäsion und Grenzflächenforschung am Fraunhofer IFAM.
Der Prüfstand ermöglicht es, Materialien unter unterschiedlichen Betriebsbedingungen zu untersuchen und anschließend gezielt zu analysieren. So lassen sich beispielsweise Ablagerungen, Veränderungen von Oberflächen sowie Korrosions- und Alterungsprozesse erfassen. Die Kombination aus Materialentwicklung und Prüfung schafft damit eine Grundlage, um die Stabilität von verwendeten Komponenten unter verschiedenen Belastungen systematisch zu bewerten.
Was bei der Elektrolyse passiert
Bei der Wasserelektrolyse wird Wasser mithilfe elektrischen Stroms in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten. Eine zentrale Funktion übernimmt dabei die Membran: Sie trennt die beiden Reaktionsräume und ermöglicht gleichzeitig den für die elektrochemische Reaktion notwendigen Ionentransport. Vereinfacht: Sie wirkt wie ein sehr feines Sieb, durch das bestimmte Ionen passieren können, während die entstehenden Gase möglichst voneinander getrennt bleiben.
Gerade beim Einsatz von Meerwasser wird diese Aufgabe anspruchsvoll. Chloride und andere Inhaltsstoffe können Nebenreaktionen auslösen, sich auf Oberflächen ablagern oder Korrosion und Alterung verursachen. Brinkmann: »Je unreiner wir mit unserem Elektrolyten werden, desto mehr stellt sich die Frage, wie lange halten unsere einzelnen Komponenten?«
Um diese Frage zu untersuchen, können am Fraunhofer IFAM unterschiedliche Elektrolyte und Zellkonfigurationen eingesetzt werden. Ergänzend zu den elektrochemischen Messungen ermöglichen Rasterelektronenmikroskopie, EDX, XPS und TOF-SIMS detaillierte Analysen der Materialien nach den Versuchen. »Man kann so im Prinzip eine Verschleißgeschwindigkeit evaluieren«, sagt Brinkmann.
»Parallel entstand am Fraunhofer IWES ein größerer, multi-use-fähiger Prüfstand«, erläutert Menzel. »Dort lassen sich unterschiedliche Elektrolysetechnologien und neu entwickelte Komponenten mit Brack- oder Salzwasser untersuchen und vergleichen – darunter PEM-, alkalische und AEM-Elektrolyse.« Vielversprechende Materialien können so aus kleineren Messzellen in größere Aufbauten überführt werden. Dadurch lässt sich neben dem Materialverhalten auch das Zusammenspiel mehrerer Zellen und weiterer Systemkomponenten betrachten.
Ausblick: Von der Machbarkeit zur Langzeitstabilität
Im Projekt wurden Prüfstände und Komponenten für die Untersuchung der Elektrolyse mit Meer- und Brackwasser entwickelt sowie erste Machbarkeitsuntersuchungen durchgeführt. Die geschaffene Infrastruktur ermöglicht nun systematische Langzeituntersuchungen. Im Fokus stehen Alterung, Korrosion und Ablagerungen sowie der Einfluss der Elektrolytzusammensetzung auf die Lebensdauer der Komponenten. Die im Projekt entwickelten Prüfstände werden sowohl am Fraunhofer IFAM als auch am Fraunhofer IWES bereits über das Projekt hinaus für weitere Fragestellungen wie die Untersuchung alternativer Wasserquellen oder die Eignungsbewertung von Elektrolysekomponenten eingesetzt und stehen darüber hinaus für Industrieprojekte und externe Anwendungen zur Verfügung.
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