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Die Gruppe ECEMS an der TU Berlin stellt sich vor...

14.01.2021

Die Gruppe für elektrochemische Katalyse-, Energie- und Materialwissenschaften (ECEMS) an der TU Berlin erforscht in MethFuel fundamentale und angewandte Aspekte der direkten Elektrolyse von salzhaltigem Wasser und Meerwasser.

Guten Tag Herr Strasser! Bitte skizzieren Sie einmal kurz die Rolle Ihres Lehrstuhls an der TU Berlin im Projekt MethFuel.

In unserem Teilprojekt geht es darum, gemeinsam mit dem Fraunhofer ISE eine bisher wenig erforschte Technologie weiterzuentwickeln: die direkte Verwendung von Meerwasser für die elektrolytische Herstellung von grünem Wasserstoff. Bei den etablierten Technologien – alkalische Flüssigelektrolyse und PEM-Elektrolyse (proton exchange membrane) – werden an das eingehende Wasser erhebliche Anforderungen an die Reinheit gestellt. Ansonsten würde das „unreine“ Wasser Degradationsvorgänge an den Komponenten des Elektrolyseurs auslösen oder beschleunigen. In den Überlegungen zu grünem Wasserstoff wird einfach vorausgesetzt, dass hochreines Wasser wie in Laborumgebungen unbegrenzt zur Verfügung steht. In der Realität muss man allerdings sagen, dass die Verfügbarkeit unter Umständen nicht gegeben ist. Dabei rede ich beispielsweise von Offshore-Situationen: Solche Windparks sind aus dem einfachen Grund auf hoher See installiert, weil dort die jährliche Laufzeit und damit die Auslastung sehr hoch ist. Aber die Verfügbarkeit von Reinstwasser ist dort nicht gegeben. Dabei muss zusätzlich beachtet werden, dass die konventionelle Umkehrosmose nicht einmal die geforderte Wasserreinheit liefern könnte, und daher zusätzliche Reinigungsschritte zwischen Umkehrosmose und Elektrolyseur erforderlich wären. Das bedeutet also zusätzliche Betriebsteile, die Wartung benötigen sowie verschleißen und ausfallen können. Außerdem braucht die Umkehrosmose selbst natürlich auch Energie. Aus diesen Gründen kommt es zur Überlegung, dass man das Meerwasser gerne direkt ohne aufwendige Aufarbeitung oder Aufreinigung für die Elektrolyse einsetzen würde. Daher zielt unser Teilprojekt darauf ab, die wissenschaftlichen Grundlagen, die technische Machbarkeit sowie die Grenzen der Elektrolyse mit direktem, salzhaltigem Meerwasser zu untersuchen und zu verstehen. Dabei schauen wir uns z. B. an, welche Degradationsmechanismen in einem Elektrolyseur durch salzhaltiges Wasser ablaufen oder ablaufen könnten, und wie wir diese Prozesse durch die Entwicklung von geeigneten selektiven Katalysatoren unterdrücken können.

Wie ist es denn um die Effizienz Ihrer neuen Technologie bestellt?

Meerwasserelektrolyse ist eine alkalische Austauschmembran- (AEM) Technologie, welche die Vorteile der alkalischen Flüssigelektrolyse und der sauren PEM-Elektrolyse kombiniert. Wir haben bei der mit Reinstwasser betriebenen AEM-Elektrolyse Wirkungsgrade von etwa 86 % erreicht. Unter gleichen Bedingungen erfolgte der Betrieb mit salzhaltigem Wasser mit ca. 4 wt% Natrium- und Chloridionen bei etwa 82 %, also nur vier Prozentpunkte weniger. Hier ist übrigens der energetische Wirkungsgrad gemeint, also das Produkt aus dem Faraday’schen Wirkungsgrad und dem Spannungswirkungsgrad.

Die 82 % ist also die Effizienz der Zelle im Labor. Man kann davon ausgehen, dass es ein paar Prozentpunkte weniger werden, wenn Sie dann eines Tages zum Stack gehen. Aber in welchem Bereich sich das abspielt, PEM-ähnlich oder eher wie Alkali, da wollen Sie sich wahrscheinlich nicht aus dem Fenster lehnen und Prognosen abgeben?  

Ja, die genaue Prozentpunktezahl kann man im Moment noch nicht absehen. Generell gilt bei der alkalischen Membranelektrolyse, dass deren Effizienz tendenziell aufgrund der unterschiedlichen Natur der wandernden Ionen etwas unterhalb der der PEM-Elektrolyse liegt, welche ja auch eine Membrantechnologie ist, aber eben eine saure Membrantechnologie. Die Ionen, welche den Ladungstransport übernehmen, sind in der alkalischen Membran Hydroxidionen. Die bewegen sich langsamer als die Protonen in der PEM. Diese verlangsamte Ionendiffusion führt grundsätzlich zu etwas höheren elektrischen Widerständen, sodass man bei den Gesamtwirkungsgraden damit zu rechnen hat, dass die immer etwas unter den PEM-Werten liegen. Dazu kommt der Einfluss von gelöstem CO2 des Meerwassers, welches mit den Hydroxidionen Bicarbonate bildet, was den Ionentransport ebenfalls beeinflussen kann. Allerdings muss man eben sagen: Es gibt keine direkte Meerwasserelektrolyse für die PEM-Technologie, weil sich da hochgiftiges, gasförmiges Chlor bilden würde. Das hat direkte chemische Gründe und von daher braucht man sich gar nicht mit der PEM-Effizienz zu messen, weil es für die sauren Membranen keine direkte Meerwasserelektrolyse geben wird. Wie gesagt haben wir von Reinst- zu Salzwasser bislang nur einige wenige Prozentpunkte Einbußen gefunden. Das ist ein sehr wichtiger Befund. Ich glaube, dass diese Differenz auch bei der Skalierung erhalten bleiben wird.

Es gibt ja bereits Elektrolyseure auf dem Markt, die eine Art Mischung aus der klassischen Alkali-Elektrolyse und der PEM sind. Ihre Technologie klingt genau danach.

Genau, die alkalische Membranelektrolyse, abgekürzt AEMWE (alkaline exchange membrane water electrolysis), ist gewissermaßen ein Zwischending zwischen der PEM und der klassischen flüssig-alkalischen Elektrolyse und verbindet gewisse Vorteile von beiden Technologien. Man hat zum einen keinen Flüssigelektrolyt mehr, sondern eine Festmembran. Mithilfe dieser Membran wird es möglich, Druckunterschiede zwischen Anode und Kathode aufrechtzuerhalten. Das ermöglicht die Erzeugung von Wasserstoff bei erhöhten Drücken, was wiederum für die Gesamtenergiebetrachtung relevant sein kann, weil man dann sich Kosten bei der Komprimierung des Gases spart. Zum anderen hat die AEMWE die Vorteile der flüssig-alkalischen Elektrolyse hinsichtlich der unedlen Katalysatormetalle. Das heißt, man braucht bei dieser AEMWE keine Edelmetalle wie Iridium oder Platin. Stattdessen setzen sich hier die besten Katalysatoren tatsächlich aus relativ preiswerten Komponenten wie Nickel, Eisen oder auch Kobalt zusammen. Insofern kann man diese AEMWE tatsächlich als etwas betrachten, was die Vorteile der beiden Welten miteinander verbindet. Wir nehmen gewissermaßen diese AEMWE-Technologie, entwickeln sie weiter und betreiben sie direkt mit Meerwasser.

Was bringen sie denn in das Projekt ein, was sonst vielleicht niemand in Deutschland einbringen könnte?

Unsere Expertise liegt auf der Entwicklung von Katalysatoren mit hoher Aktivität und chemischer Selektivität. Die chemische Selektivität bedeutet, dass wir Materialien entwickeln, die eben nur das Ablaufen gewisser Reaktionen erlauben. In dem Fall ist es die Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff. Und eben andere Reaktionen, die unerwünscht sind, werden von unseren selektiven Katalysatoren unterdrückt – das ist bei der Meerwasserelektrolyse die Bildung von chlorhaltigen Verbindungen. Hypochlorit ist da das wichtigste Beispiel, welches sich im alkalischen Milieu aus dem Natriumchlorid bilden würde. Unsere Katalysatoren sind in der Lage, diese störende Nebenreaktion zu unterdrücken. Da liegen der Vorteil und die Überlegenheit unseres Konzepts im Vergleich zu anderen AEMWE-Konzepten, die nur mit Reinstwasser funktionieren.  

Wenn Sie sich jetzt mal eineinhalb Jahre in die Zukunft versetzen: Woran würden Sie merken, dass das Projekt ein Erfolg war?

Wenn wir mithilfe der dokumentierten wissenschaftlichen und technischen Ergebnisse in der Lage sind, Anschlussprojekte und auch Partner zu finden, die bereit sind, diese Technologie weiterzuentwickeln. Da sind wir auch im Rahmen der nationalen Wasserstoffstrategie sehr zuversichtlich, dass sich diese Technologie als immer wichtiger herausstellen wird. Die Aussicht eines Betriebs von Elektrolyseuren mit Meerwasser statt Reinstwasser bei gleicher Lebensdauer der Anlagen ist wirtschaftlich sehr attraktiv. Es fehlt der Technik aber aktuell das grundlegende Verständnis der dafür notwendigen Materialien und Betriebsbereiche. Künftige Stoßrichtung bei uns ist natürlich auch die baldige Skalierung: Wir würden gerne hier zunächst in den Kilowattbereich vorstoßen, dann würden auch die einzelnen Zellen größer werden. Unser Plan wäre, dass wir uns im Anschlussprojekt auch mit der Entwicklung eines Meerwasser-Stacks beschäftigen können, also dafür Fördermittel bekommen könnten. Dann könnten wir wirklich die Technologie auch für höhere TRL (technology readiness level) in realer Umgebung demonstrieren. Und ich würde es als großen Erfolg werten, wenn wir in den nächsten zwei bis fünf Jahren so einen Meerwasser-Stack tatsächlich im Einsatz arbeiten sähen – vielleicht erst mal im Hafenbereich, aber dann auch irgendwann auf einer Offshore-Plattform. So könnten wir nicht nur die physikalische Machbarkeit, sondern auch die technische Umsetzbarkeit des Prinzips zeigen.

Dafür drücke ich Ihnen die Daumen. Das ist ja nun eine Technologie, die wirklich dringend gebraucht wird.

Genau, in Zukunft brauchen wir große Mengen Wasserstoff. Wir sind uns darüber einig, dass die Menge an erneuerbaren Strom, die wir dafür brauchen, in den kommenden Jahrzehnten in Deutschland nicht zur Verfügung stehen wird. Daher werden wir auch Wasserstoff oder eben transportfähigen Wasserstoff, wie Methan oder Ammoniak, im Ausland produzieren und importieren müssen. Dafür gibt es ja extra einen nationalen Topf für die Entwicklung von internationalen Kollaborationen. Wir denken da auch an Gebiete wie Nordafrika, die Wüstengebiete Australiens und an viele andere Orte mit viel Sonne oder Wind, die ein sehr arides Klima haben und direkt an den Ozeanen angesiedelt sind. Genau an solchen Stellen wäre unsere direkte Meerwasserverwertung für die elektrolytische Wasserstofferzeugung von Vorteil. Denn in diesen ariden Zonen ist hochreines Trinkwasser sehr wertvoll, deutlich wertvoller als hier bei uns. 

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Portrait Prof. Dr. Peter Strasser

Prof. Dr. Peter Strasser, Projektleiter der TU Berlin innerhalb von MethFuel

Gesamtkoordination:

MTU Friedrichshafen GmbH
Maybachplatz 1
88045 Friedrichshafen

 

DVGW-Forschungsstelle am Engler-Bunte-Institut
des Karlsruher Instituts für Technologie

Engler-Bunte-Ring 1 – 9
76131 Karlsruhe