Neuartiger Elektrolyseur könnte grünen Wasserstoff billiger machen

Um sich von fossilen Brennstoffen zu lösen, braucht die Welt günstigere Möglichkeiten zur Herstellung von grünem Wasserstoff – einem sauber verbrennenden Energieträger. Er wird durch die Nutzung von Strom aus erneuerbaren Energieträgern in sogenannten Elektrolyseuren durch Aufspaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff hergestellt.

Forscher aus Isreal haben eine Möglichkeit gefunden, die Notwendigkeit einer kostspieligen Membran im Herzen der Elektrolyseure zu vermeiden und stattdessen Wasserstoff und Sauerstoff in getrennten Kammern zu produzieren. Die kostenverursache Membran würde dadurch überflüssig werden.

Versuche bisher auf Laborbasis

Als laborbasierter Versuch ist das neue Verfahren, über das diesen Monat in Nature Materials berichtet wurde, noch nicht zu einem Einsatz im industriellen Maßstab bereit. Sollte aber das nun vorgestellte Verfahrensprinzip durch Umsetzung in großen Elektrolyseuren möglich sein, würde es Schwerindustrien wie der Stahl- und Düngemittelproduktion dabei helfen, ihre Abhängigkeit von Öl, Kohle und Erdgas zu verringern. Auch der Einsatz in privaten Haushalten als Ersatz von Erdgas wird sehnsüchtig erwartet.

»Das Verfahren ist ein innovatives Konzept«, sagte Dr. Shannon Boettcher, dem Direktot der Fakultät von Elektrochemie an der University of Oregon. Die Fakultät selbst war nicht an der Studie beteiligt war, hat sich aber intensiv mit dem neuen Verfahren beschäftigt. Boettcher fügte hinzu, dass das membranfreie Produktionsprinzip offenbar auch mit variablen, also schwankenden, Strommengen funktioniert. Dieser Vorteil erlaube eine Kopplung mit intermittierender Stromversorgung, wie sie bei Wind- und Solarparks die Regel ist.

Das heutige Prinzip der Elektrolyseure

Wasserspaltungsanlagen, sogenannte Elektrolyseure, wurden vor mehr als 200 Jahren entwickelt. Die heute üblichste Version ist der alkalische Elektrolyseur, dessen Funktion einer Batterie ähnelt. Zwei Elektroden werden in eine Kammer mit Wasser und einem flüssigen Elektrolyten getaucht. Dieser fördert die Bewegung von Ionen. Durch Anlegen eines elektrischen Stroms an die negativ geladene Kathode wird das Wasser in Wasserstoffmoleküle und negativ geladene Hydroxid-Ionen gespalten.

Die Hydroxid-Ionen diffundieren durch die Flüssigkeit zur positiv geladenen Anode, wo sie unter Bildung von Sauerstoff und einer kleineren Menge Wasser reagieren. Das System basiert auf einer Membran zwischen den beiden Elektroden. So wird die Wanderung von Hydroxidionen von der Kathode zur Anode ermöglicht, jedoch die Vermischung von Wasserstoff und Sauerstoff verhindert, die sich explosionsartig verbinden könnten.

Kosten von grünem Wasserstoff

Einen hohen Kostenanteil bei der Herstellung von grünem Wasserstoff entfällt auf erneuerbaren Strom, der den Prozess antreibt. Der größte Teil der restlichen Kosten entsteht durch den Elektrolyseur, bei dem wiederum die Membran eine seiner teuersten Komponenten ist. Sie enthält viele spezielle Schichten zur Einbindung und zum Schutz der Molekularfilter.

Das neue Verfahren

Das neue, membranlose Verfahren entstand im Technion-Israel Institute of Technology. Einer der Forscher war Avner Rothschild, der als Materialwissenschaftler am Institut arbeitet. Er und seine Kollegen wollten auf die Membran verzichten, indem sie die Elektrolyse „entkoppelten“ und die Wasserstoff- und Sauerstoffproduktion räumlich oder zeitlich trennten.

Schon im Jahr 2019 erstellten sie einen Aufbau, bei dem während des Wasserstoff-Produktionsschritts eine nickelbasierte Elektrode wie eine Batterie aufgeladen wurde. Als sie diese Elektrode in eine zweite Kammer verlegten, erzeugte sie beim Entladen Sauerstoff. Dieser Aufbau hatte Nachteile. Zum einen bedeutet das Bewegen der Elektrode zwischen den Schritten, dass der Reaktor nicht kontinuierlich betrieben werden kann. Außerdem muss der im Sauerstofferzeugungsschritt verwendete Elektrolyt heiß sein, um die Reaktion zu beschleunigen. Dies wiederum erfordert teure Materialien und Isolierung, um Wärmeverluste zu verhindern.

Um diese Probleme zu vermeiden, haben die Forscher ihren entkoppelten Elektrolyseur so umgestaltet, dass die Wasserstoffproduktion nicht die Anode auflädt, sondern stattdessen Moleküle zu flüssigen Elektrolyten verändert. Dabei werden bei der Wasserstofferzeugung an der Anode Bromid-Ionen in Bromat umgewandelt.

Der Bromat-haltige Elektrolyt wird dann in eine zweite Kammer gepumpt, die über einen Katalysator verfügt. Dieser bewirkt, dass das Bromat in einer Reaktion bei Raumtemperatur wieder in Bromid und Sauerstoff zerfällt. So produziere die Laboranlage kontinuierlich und mit hoher Geschwindigkeit grünen Wasserstoff. Obwohl die Effizienz noch nicht so hoch sei wie bei einem alkalischen Elektrolyseur, »…konnten wir Wasserstoff und Sauerstoff ohne Membran getrennt halten, was die Kosten der Wasserstoffproduktion im großen Maßstab senkt«, so Rothschild. Er betonte, dass seine Gruppe bereits an einem Gerät der nächsten Generation arbeite, auch um die Anlage für industrielle Zwecke vorzubereiten.

Fazit

Forschungsansätze wie dieser sind wichtige Schritte. Sie zeigen, wie sich weltweite Wissenschaftler damit beschäftigen, die technologischen Voraussetzungen für die Transformation weg von fossilen Energieträgern und hin zu Verfahren auf der Basis von erneuerbaren Energien zu schaffen. Ein umsetzbarer Erfolg bei der Abschaffung von teuren Membranen der Elektrolyseure wären für Industrie und Verbraucher ein echter Wendepunkt. Nur wenn es der Welt gelingt, grünen Wasserstoff nicht nur in großen Mengen, sondern auch zu einem wettbewerbsfähigen Preis zu produzieren, wird die Energiewende gelingen.