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22.01.2018 | P2X

Wasserstoff, der Energiespeicher der Zukunft: Erforschung kostengünstigerer Herstellungsverfahren

Abbildung 1
Abbildung 1, Quelle: Kopernikus-Projekt P2X

Windräder und Solaranlagen produzieren regional immer öfter mehr Strom, als benötigt wird. Weil Speicher fehlen, kann diese Energie noch nicht gelagert werden. Wasserstoff als Energiespeicher könnte dieses Problem lösen.  Bisher sind jedoch die Herstellungskosten sehr hoch. Für eine erfolgreiche Energiewende ist es deshalb unerlässlich, dass günstigere Verfahren entwickelt werden, um Wasserstoff mittels Wasserelektrolyse herzustellen. 

In Anbetracht des fortschreitenden Klimawandels und der Endlichkeit fossiler Energieträger, wird die Wasserelektrolyse in einem zukünftigen, nachhaltigen Energiesystem immer bedeutender. Durch die elektrochemische Spaltung von Wasser (Wasserelektrolyse) kann Wasserstoff (H2) aus Windkraft- oder Solar-Strom hergestellt werden, welcher entweder direkt in Wasserstoff-Brennstoffzellenfahrzeugen [1] oder in der Industrie (für die Herstellung von z. B. Ammoniak) eingesetzt werden kann oder aber als chemisches Speichermedium für erneuerbare Energie fungiert.

Weltweit trägt die Wasserstoffproduktion durch elektrolytische Verfahren zur Zeit nur etwa vier Prozent zur jährlichen Wasserstoffproduktion bei, [2] was an den bisher noch hohen Kosten liegt. Eine bereits technologisch fortgeschrittene Methode, welche sich durch gute Teillastfähigkeiten sowie hohe Flexibilität aufgrund kurzer Ansprechzeiten auszeichnet, ist die PEM (Polymer Elektrolyt Membran) – Wasserelektrolyse. Allerdings sind auch im Fall der PEM-Wasserelektrolyse für eine kommerzielle Vermarktung u.a. niedrigere Kosten sowie eine hohe Langzeitstabilität erforderlich. Das auf dem sehr teuren und begrenzt verfügbaren Edelmetall Iridium basierende Katalysatormaterial, welches aktuell für die Sauerstoffelektrode der PEM-Wasserelektrolyse verwendet wird, trägt dabei maßgeblich zu den Investitionskosten bei. Aus diesem Grund ist eine Reduzierung der Edelmetallbeladung für eine wirtschaftliche Nutzung von PEM Elektrolyseuren essentiell.

Der Forschungscluster A1 unter der Leitung von Prof. Dr. Hubert A. Gasteiger von der Technischen Universität München befasst sich daher innerhalb des P2X-Projekts mit der Entwicklung neuer Materialien und Elektroden für die Wasserstoffelektrolyse zur Erzeugung von Hochdruck-Wasserstoff. Erste Studien innerhalb des Projektes zeigen, dass die katalytische Aktivität Iridium-basierender Katalysatoren prinzipiell ausreicht (siehe „perfect electrode“ Linie in Abb. 1), um eine für eine flächendeckende großskalige Anwendung erforderliche spezifische Leistungsdichte zu erzielen [3]. Allerdings wäre dafür ein hochstrukturierter Katalysator mit geringer Packungsdichte notwendig. Daher wird innerhalb des Projektes zusätzlich an der Entwicklung von hochaktiven nanostrukturierten Katalysatormaterialien für die Sauerstoffentwicklung geforscht wird.

[1] Gröger, O.; Gasteiger, H. A.; Suchsland, J.-P., Review—Electromobility: Batteries or Fuel Cells? Journal of The Electrochemical Society 2015, 162, A2605-A2622

[2] Godula-Jopek, A., Hydrogen Production: By Electrolysis; John Wiley & Sons, 2015

[3] Babic, U.; Suermann, M.; Büchi, F. N.; Gubler, L.; Schmidt, T. J., Critical Review—Identifying Critical Gaps for Polymer Electrolyte Water Electrolysis Development. Journal of The Electrochemical Society 2017, 164, F387-F399.

Beschreibung zu Abbildung 1: Iridium-spezifische Leistungsdichten als Funktion der Stromdichte für Membran-Elektroden Einheiten mit unterschiedlicher Iridiumbeladung. Die gestrichelte lila Linie zeigt den Zusammenhang zwischen Iridium-spezifischer Leistungsdichte und Stromdichte eines PEM-Wasserelektrolyseurs bei einem Wirkungsgrad von 70 Prozent (basierend auf dem unteren Heizwert von Wasserstoff) für eine perfekt strukturierte Sauerstoffelektrode.

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