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Sachsen backen Stromverteiler für Wasserstoff-Fabriken aus Titanpapier

Die Forscher prüfen in der Papiertechnischen Stiftung das Titanpapier für die Elektrolyseur-Stromverteiler. Bildschirmfoto aus: IGF-Nominierungsvideo

Die Forscher prüfen in der Papiertechnischen Stiftung das Titanpapier für die Elektrolyseur-Stromverteiler. Bildschirmfoto aus: IGF-Nominierungsvideo

Mit Guericke-Preis ausgezeichnet: Innovation soll Elektrolyseure billiger und effizienter machen

Dresden/Magdeburg/Heidenau/Duisburg, 2. Dezember 2021. Neue Stromverteiler aus Titanpapier könnten Elektrolyseure künftig billiger machen und ihre Wasserstoff-Ausbeute verbessern. Möglich wird dies durch eine Innovation von Sachsen und Nordrhein-Westfalen (NRW), dank der sich solche Stromverteiler nun viel einfacher als bisher auf Papiermaschinen herstellen lassen. Dafür hat die „Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) aus Magdeburg nun den diesjährigen „Otto von Guericke“-Preis an ein interdisziplinäres Team vergeben, an dem die „Papiertechnische Stiftung“ (PTS) Heidenau, das Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung Dresden (Ifam-DD) und das Zentrum für Brennstoffzellen-Technik (ZBT) Duisburg vertreten waren.

„Innovationssprung für Brennstoffzellen- und Elektrolysetechnik“

Das prämierte Projekt könne „einen echten Innovationssprung in dem Bereich der Brennstoffzellen- und Elektrolysetechnik“ auslösen, ist PTS-Vorstand Dr. Thorsten Voß überzeugt. „Es wird in Zukunft möglich sein, Elektrolysezellen produktiver und kostengünstiger zu fertigen.“

Video (AiF) über das Preisträger-Team:

Stark steigender Wasserstoff-Bedarf in Deutschland erwartet

Hintergrund sind die Bemühungen in Deutschland und Europa um eine Energiewende und umweltfreundlichere Produktion. In diesem Zuge hat die Bundesregierung eine „Nationale Wasserstoff-Strategie“ aufgelegt. Die sieht vor, mehr Wasserstoff (H2) mit Elektrolyseuren zu erzeugen, die Ökostrom nutzen, um Wasser zu zerlegen. Dieser sogenannte „grüne“ Wasserstoff soll in Chemiefabriken den bisher wenig umweltfreundlich aus Erdgas erzeugten „grauen“ Wasserstoff ersetzen und in Stahlwerken die Kohle als Reduktionsmittel substituieren. Falls sich Brennstoffzellen-Laster oder -autos durchsetzen sollten, brauchen auch die H2 als Treibstoff. Außerdem mehrere Akteure das Konzept, die Lieferspitzen von Solar- und Windkraftanlagen im Energieträger Wasserstoff zwischenzuspeichern, um ihn bei Windflauten oder in der Nacht dann wieder damit Strom zu erzeugen.

Regierung drängt auf Ausbau der Elektrolyseure

Insgesamt prognostiziert der Bund den deutschen H2-Bedarf für das Jahr 2030 auf etwa 90 bis 110 Terawattstunden (TWh), wenn man das Gas-Volumen auf seinen Energiegehalt umrechnet. Durch einen starken Ausbau der heutigen Elektrolyse-Kapazitäten auf insgesamt fünf Gigawatt bis zum Jahr 2030 könnte Deutschland dann etwa 20 TWh Solar- und Windstrom in eigene Elektrolyseure einspeisen und daraus ein Wasserstoff mit einem Energiegehalt von insgesamt 14 TWh selbst erzeugen. Den großen Rest müsste die Bundesrepublik importieren.

Das Herzstück eines Elektrolysators ist - ähnlich wie bei der Brennstoffzelle - ein Plattenstapel, auch "Stack" genannt. Foto: ITM Power

Das Herzstück eines Elektrolysators ist – ähnlich wie bei der Brennstoffzelle – ein Plattenstapel, auch „Stack“ genannt. Foto: ITM Power

Deutschland wird von H2-Importen abhängig sein

Und auch wenn sich Deutschland mit dieser Strategie wohl dauerhaft von H2-Importen abhängig macht, ist selbst der Ausbau der eigenen Elektrolyse-Kapazitäten eine Herausforderung. Anlagenhersteller wie Linde oder Air Liquide stoßen mit ihren Elektrolyseuren gerade erst in die Megawatt-Klasse vor.

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

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

Elektrolyse-Pfade: Alkali, Hochtemperatur oder PEM

Und die Anbieter setzen wiederum auch auf unterschiedliche technologische Ansätze: Besonders erprobt und preisgünstig, aber wenig effizient sind die Alkali-Elektrolyseure. Besonders aufwendig, aber auch besonders effizient sind Hochtemperatur-Anlagen (SOEC), wie sie beispielsweise Sunfire Dresden herstellt. Dazwischen liegen die Elektrolyseure mit Protonen-Austausch-Membranen, die sogenannten PEM-Anlagen. In denen übernehmen bisher relativ teure metallische Vliese, Gewebe und Sinterkörper aus Titan die Stromverteilung in der Zelle.

Mechatroniker Eric Howschke kontrolliert die Messwerte an einem Elektrolyse-Container von Sunfire Dresden. Foto: Heiko Weckbrodt

Mechatroniker Eric Howschke kontrolliert die Messwerte an einem Elektrolyse-Container von Sunfire Dresden. Foto: Heiko Weckbrodt

Papier gibt die Struktur vor, im Sinterofen bleibt dann die Titanstruktur übrig

Und dort hat nun das gemeinsame Projekt von PTS, Ifam und ZBT angesetzt: Die Partner entwickelten gemeinsam ein Verfahren, durch das eine schnelle Produktion solcher Stromverteiler in erprobten Papiermaschinen möglich ist. Dafür haben sie ein Spezialpapier mit Titanpulver angereichert. Das haben sie dann im Sinterofen gebacken. Dabei verbrennt die Zellulose und übrig bleibt die metallische Titan-Struktur. Durch die eingesetzten Papiertechnologien ist es möglich, die Poren und andere Eigenschaften des späteren Stromverteilers recht präzise zu designen und zu optimieren.

20 % billiger und mehr Wirkungsgrad

Unterm Strich gehen die Partner davon aus, dass die damit den Wirkungsgrad der finalen Elektrolyseure verbessern und die Herstellungskosten deutlich senken können. „Damit ist es möglich, funktionale Stromverteiler zukünftig auf hochproduktiven Papiermaschinen zu erzeugen“, betont PTS-Forscherin Franziska Bauer. „Im Vergleich zu den bisherigen Titansinterkörpern werden mit dem neuen ‘Papier‘ ein Fünftel der Kosten eingespart.“

Wieviel höher der Wirkungsgrad der Titanpapier-Lösung ausfällt, können die Forscher und Forscherinnen bisher noch nicht abschließend beziffern. „Derzeit ist es so, dass die Labormuster verglichen mit kommerziellen Streckmetall-Titan-Stromverteilern schon jetzt minimal besser abschneiden“, schätzt Martin Zahel von der PTS auf Oiger-Anfrage ein. „Aus weiterführenden ex-situ-Messungen nach Projektende zeichnet sich allerdings ab, dass infolge der neuen Materialstruktur noch bessere Wirkungsgrade zu erreichen sind.“ Dafür seien weitere Optimierungen nötig. „Das Potenzial für die angegebene erhebliche Steigerung des Wirkungsgrades ist also definitiv vorhanden.“

Wladimir Philippi (l.), Dr. Ralf Hauser und Sebastian Stypka (r.) nehmen die Guericke-Auszeichnung entgegen. Foto: AiF

Wladimir Philippi (l.), Dr. Ralf Hauser und Sebastian Stypka (r.) nehmen die Guericke-Auszeichnung entgegen. Foto: AiF

Mit dem Guericke-Preis zeichnet die AiF jährlich wegweisende Projekte der „Industriellen Gemeinschaftsforschung“ (IGF) aus. Zum diesjährigen Preisträgerteam gehören Franziska Bauer, Ralf Hauser, Stefan Knohl, Wladimir Philippi und Sebastian Stypka.

Autor: Heiko Weckbrodt

Quellen: AiF, PTS, Oiger-Archiv, BMBF

Der Abschlussbericht zum Projekt ist hier zu finden.

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