Ekolyser-Prototyp läuft seit 1000 Stunden
Jülicher Forscher entwickeln kosteneffektive Energiespeichermethoden.
Schematischer Aufbau eines PEM-Elektrolyseurs: Der Elektrolyseur besteht aus zwei Halbzellen, die durch eine protonendurchlässige Polymermembran (blaugrün) getrennt sind. Beide Seiten der Membran sind mit dünnen Edelmetall-Schichten (dunkelgrau) versehen die als Elektroden dienen. An diesen wird eine äußere Spannung angelegt, und die Halbzelle auf der Anodenseite wird mit Wasser geflutet. Die katalytische Wirkung der Elektroden führt zur Zersetzung des Wassers: Es entstehen Sauerstoff, freie Elektronen und positiv geladene Wasserstoff-Ionen (Protonen). Die Ionen treten durch die Membran, und kombinieren mit den Elektronen zu Wasserstoff. Für ein effizientes System werden mehrere dieser Zellen in sogenannten Stacks hintereinander geschaltet. Dünne Platten aus porösem Titan (hellgrau) dienen als Stromkollektoren und Separatoren zwischen den einzelnen Zellen eines solchen Stacks. Sie wurden im Ekolyser-Prototyp durch strukturierte Edelstahlbleche ersetzt. Bild: Forschungszentrum Jülich
Wasserstoff wird in Zukunft für die Energieversorgung immer wichtiger, denn durch ihn lassen sich große, regenerativ gewonnene Energiemengen auch über längere Zeiträume speichern. Im Projekt Ekolyser entwickeln Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich zusammen mit Partnern aus Wissenschaft und Industrie Methoden für die Produktion von Wasserstoff mittels Elektrolyse von Wasser. In einer neuen Testanlage erprobten sie robustere und kostengünstige Werkstoffe. Der Prototyp hat nun seine vorgesehene Laufzeit von 1000 Stunden erreicht. Bis 2020 soll die entwickelte Technologie für die breite Anwendung einsatzfähig sein.
Erneuerbare Energien sollen einen großen Anteil in der Energieversorgung der Zukunft übernehmen. Diese muss nicht nur umweltschonend, sondern auch zuverlässig und bezahlbar sein. Wind- und Sonnenenergie sind starken Fluktuationen unterworfen. Standort- und wetterbedingte Schwankungen müssen daher aufgefangen und ausgeglichen werden, damit die Stromversorgung dauerhaft garantiert ist. Um die gewonnene Energie zuverlässig zu speichern, so dass sie in 'mageren Zeiten' wieder abrufbar ist, bietet sich vorrangig Wasserstoff an: Der universell einsetzbare Energieträger kann in ein Gasnetz eingespeist oder zu flüssigen Kraftstoffen weiterverarbeitet werden. Mit entsprechenden Brennstoffzellen ausgestattete Fahrzeuge können Wasserstoff auch direkt als Treibstoff nutzen. Als Abgas entsteht bei der Reaktion lediglich Wasser. Wasserstoff kommt nicht frei in der Natur vor, er muss unter Energieaufwand erzeugt werden. Dies geschieht zum Beispiel durch die Spaltung von Wasser mithilfe elektrischer Energie. In ihrer konventionellen Form, der alkalischen Elektrolyse, wird mit Kalilauge angereichertes Wasser als Ausgangsstoff verwendet.
Bei der modernen Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM)-Elektrolyse wird destilliertes Wasser durch elektrischen Strom an Elektroden in Sauerstoff, freie Elektronen und positiv geladene Wasserstoff-Ionen (Protonen) gespalten. Die Ionen treten durch eine Membran und verbinden sich mit den Elektronen zu Wasserstoff. Für ein effizientes System werden mehrere dieser Zellen in sogenannten Stacks hintereinander geschaltet, wie Batterien in einer Stabtaschenlampe. Separatorplatten, gewöhnlich aus Titan, trennen die Zellen eines solchen Stacks.
Im Gegensatz zu anderen Elektrolysearten benötigt die PEM-Elektrolyse keine bedenklichen Chemikalien. Sie ist außerdem leistungsfähiger: Die Zellen sind kleiner und es wird mehr Wasserstoff produziert. Ihr Nachteil ist der hohe Preis. Der Wirkungsgrad beträgt derzeit rund 70 Prozent: knapp ein Drittel der Energie geht verloren. Der hergestellte Wasserstoff ist zu teuer, insbesondere die als Katalysatormaterial und Separatoren verwendeten Edelmetalle treiben den Preis in die Höhe.
Im Rahmen des Projektes Ekolyser, das vom Institut für Energie- und Klimaforschung koordiniert wird, entwickelten die Forscher kostengünstige nachhaltige Materialien für die PEM-Elektrolyse. Erforscht werden unter anderem neue, robustere Membrantypen mit erhöhter Leitfähigkeit, die die Effizienz der Elektrolyse verbessern. Der Edelmetallanteil in den Katalysatorbeschichtungen und Separatorplatten soll stark reduziert oder sogar vollständig durch preiswertere Materialien ersetzt werden.
Die Forscher untersuchten eine Vielzahl von verschiedenen Materialien und Beschichtungen und unterzogen sie Langzeitprüfungen in Test-Elektrolyseuren. Der neueste Prototyp arbeitet mit speziell entwickelten Katalysatorschichten und Separatorplatten, in denen Titan durch strukturierte Edelstahlbleche ersetzt wurde. Der veranschlagte 1000-Stunden-Praxistest ist nun erfolgreich beendet worden. Als nächster Schritt ist eine größere Testanlage geplant. Die aktive Fläche der einzelnen Zellen des derzeitigen Prototypen beträgt 300 cm2, in einem geplanten neuen Zellstapel sollen es 1000 cm2 pro Zelle werden. Damit ließe sich dann schon mehr als ein Megawatt elektrischer Leistung in Wasserstoff wandeln und speichern. Zum Vergleich: die Nennleistung großer Windenergieanlagen liegt etwa zwischen zwei und sieben Megawatt.
Ekolyser ist ein vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie gefördertes Projekt des Forschungszentrums Jülich, des Max-Planck-Instituts für chemische Energiekonversion und der Industriepartner FuMA-Tech, SolviCore und Gräbener Maschinentechnik.
