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Mehr Wasserstoff durch Metallschaum-Elektroden

Industrieller alkalischer atmosphärischer Testelektrolyseur von Fraunhofer Dresden. Foto: Fraunhofer-IFAM

Industrieller alkalischer atmosphärischer Testelektrolyseur von Fraunhofer Dresden. Foto: Fraunhofer-IFAM

Fraunhofer Dresden arbeiten mit an einer neuen Generation von Gigawatt-Elektrolyseuren

Dresden, 13. Oktober 2020. Mit neuartigen Elektroden aus Metallschäumen und Nickelnetzen wollen Dresdner Fraunhofer-Technologen gemeinsam mit Industriepartnern eine neue Generation besonders effizienter und preisgünstiger Alkali-Elektrolyseure für die Wasserstoffproduktion konstruieren. „Unser Ziel ist die Elektroden-Fließbandproduktion mit Robotern bei niedrigen Fertigungskosten“, erklärte Teamleiter Dr. Lars Röntzsch vom „Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und angewandte Materialforschung“ (Ifam) Dresden. Denn nur wenn es gelinge, solch eine billige Massenproduktion anzukurbeln, werde auch ein großindustrieller Einsatz von Wasserstoff-Technologien möglich. „Um vom Megawatt- in den Gigawatt-Bereich zu kommen, braucht man eine massive Parallelisierung von Elektrolyseuren“, ist er überzeugt.

Wasserstoff gilt als wichtiger Energieträger - zudem braucht die Chemieindustrie das Gas für viele Prozesse. Grafik: Heiko Weckbrodt

Wasserstoff gilt als wichtiger Energieträger – zudem braucht die Chemieindustrie das Gas für viele Prozesse. Grafik: Heiko Weckbrodt

Elektrolyse ist seit zwei Jahrhunderten gut bekannt

Die Elektrolyse selbst ist eigentlich ein alter Hut: Seit mindestens 200 Jahren schon können Ingenieure und Chemiker gewöhnliches Wasser mit Strom in Wasserstoff und Sauerstoff aufspalten. Neuerdings kommt diese alte Technologie wieder in Mode: Weil Solar- und Windkraftwerke recht unregelmäßig Energie liefern, gibt mehr Schwankungen als früher in den deutschen Stromnetzen. Die Überlegung ist nun, diese Energiespitzen und -täler ausgleichen, indem man kurzfristig überschüssigen Strom in riesigen Wasserspalter-Elektrolyseuren als Wasserstoff abspeichert – und diesen Prozess später wieder umkehrt, wenn gerade viel Strom gebraucht wird.

75 % Wirkungsgrad sind inzwischen möglich

Allerdings sind ältere Elektrolyse-Anlagen wenig effizient: Je nach Bautyp gehen bis zu 40 Prozent der eingesetzten elektrischen Energie bei der Wasserspaltung verloren. Die Dresdner Fraunhofer-Forscher haben nun aber dreidimensional zellular strukturierte Elektroden entwickelt, die Wirkungsgrade um die 75 Prozent zulassen – und weit billiger herstellbar sind als heutige Edelmetall-Elektroden. Dabei haben sie mit speziellen pulvermetallurgischen Verfahren beispielsweise Metallschäume aus Nickelverbindungen erzeugt. Diese Elektroden haben eine besonders große Reaktionsoberfläche haben und kommen auch mit Kalilauge zurecht, die heute gern anstelle von reinem Wasser in Elektrolyseuren eingesetzt wird.

Das Fraunhofer-Keramikinstitut IKTS hat in Dresden solche Kermaik-Stapel für Hochtemperatur-Brennstoffzellen entwickelt. Diese Mini-Kraftwerke sollen nun zum Beispiel in Indien eine dezentrale Stromversorgung sichern. Foto: Heiko Weckbrodt

Das Fraunhofer-Keramikinstitut IKTS hat in Dresden solche Kermaik-Stapel für Hochtemperatur-Brennstoffzellen entwickelt. Foto: Heiko Weckbrodt

H2 als Netzspeicher, Lkw-Antrieb und Stahl-Reduktionsmittel einsetzbar

Einsetzbar ist der so erzeugte Wasserstoff nicht nur als Zwischenspeicher-Medium für stabilere Stromnetz. Der Energieträger kann zum Beispiel auch Brennstoffzellen-Laster antreiben und den Kohlendioxid-Ausstoß von Stahlwerken mindern.

Fraunhofer: Deutschland braucht 2050 rund 80 GW Elektrolyse-Leistung

Auch die Bundesregierung erhofft sich ökologische Effekte davon und fördert daher seit einiger Zeit verstärkt Wasserstoff-Technologien. Laut unterschiedlichen Schätzungen sind in Deutschland bisher aber nur etwa rund zwei Dutzend Megawatt Elektrolyse-Leistung im Betrieb. In einer „Wasserstoff-Roadmap für Deutschland“ hat die Fraunhofer-Gesellschaft den deutschen Bedarf für das Jahr 2050 auf etwa 50 bis 80 Gigawatt Elektrolyse-Leistung geschätzt. Weltweit wären demnach um die Mitte des Jahrhunderts sogar rund 3000 Gigawatt installiert.

Fraunhofer sieht Milliarden-Markt für deutsche Anlagenbauer

Wegen der hohen Stromkosten in der Bundesrepublik entstehen Wasser-Spalter heutzutage allerdings eher in Ländern mit billigem Wasserkraft-Strom wie Norwegen. Womöglich könnte Deutschland dennoch vom erwarteten Wasserstoff-Boom profitieren, nämlich durch den Bau und den Export von Groß-Elektrolyseuren sowie Brennstoffzellen. Hier schätzt Fraunhofer das deutsche Wertschöpfungs-Potenzial auf zehn Milliarden Euro im Jahr 2030 und rund 32 Milliarden Euro im Jahr 2050.

Autor: Heiko Weckbrodt

Quelle: Fraunhofer-Ifam, FHG, Wikipedia, Oiger-Archiv

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