Innovatives Verfahren für Grünen Wasserstoff
Grafik: Projektträger Jülich im Auftrag des BMBF
StacIE-Projekt der TU Ilmenau…
Die Technische Universität Ilmenau startet das Forschungsprojekt StacIE, das die Herstellung des Energieträgers Wasserstoff umweltschonend und kostengünstiger machen soll. Derzeit werden rund 96 Prozent des Wasserstoffs aus fossilen Brennstoffen produziert – umweltschädliches Kohlendioxid wird freigesetzt. Werden hingegen erneuerbare Energien verwendet, gewinnt man Wasserstoff CO2-frei. Doch noch ist die Herstellung von Grünem Wasserstoff teuer.
Das auf vier Jahre angesetzte StacIE-Projekt ist Teil des vom Bundesministeriums für Bildung und Forschung geförderten Leitprojekts H2Giga, das die industrielle Serienfertigung von Elektrolyseuren zur Herstellung von Wasserstoff anstrebt. Das Ziel: Große Mengen des sauberen Energieträgers und drastisch reduzierte Herstellungskosten.
Von vielen wird Wasserstoff als der Energieträger der Zukunft gesehen. Das am häufigsten vorkommende chemische Element im Universum ist, da es in Wasser steckt, leicht verfügbar und sauber. Und vielseitig einsetzbar: als Treibstoff für Brennstoffzellen-Fahrzeuge und im Schwerlastverkehr, im Schienen- und im Schiffsverkehr oder als Rohstoff für die Chemie- oder Stahlindustrie.
Die konventionelle Herstellungsmethode von Wasserstoff ist die sogenannte Dampfreformierung von Erdgas. Das Verfahren ist technisch ausgereift und relativ kostengünstig, es hat aber einen gravierenden Nachteil: Es entsteht Kohlendioxid, das klimaschädlich in die Atmosphäre entweicht. Doch Wasserstoff kann auch mit Strom erzeugt werden. Verwendet man zur Wasserelektrolyse mit Strom erneuerbare Energiequellen, wird kein Kohlendioxid freigesetzt. Daher gilt Grüner Wasserstoff als das Schlüsselelement, das umweltschädliche fossile Brennstoffe langfristig ersetzen könnte. Ziel ist es, den Ausstoß an Kohlendioxid in Deutschland bis zum Jahr 2030 um 55 Prozent und bis 2050 um 95 Prozent zu reduzieren.
Das neue Verfahren, das zur Herstellung von CO2-freiem Wasserstoff angewendet wird, ist die Proton-Exchange-Membrane-Elektrolyse. Dabei wird Wasser mit Hilfe von elektrischem Strom in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. Die Vorteile der PEM-Elektrolyse: Sie ist flexibel und kann innerhalb von Millisekunden auf die großen Sprünge bei der Stromproduktion von Wind- und Solaranlagen reagieren. Zudem werden im Gegensatz zu anderen Elektrolysearten bei der PEM-Elektrolyse keine bedenklichen Chemikalien benötigt. Der große Nachteil ist der hohe Preis. Durch die aufwändige Herstellung der Anlagen in Einzelfertigung sind die Kosten hoch und müssen auf den Wasserstoffpreis umgelegt werden. Zudem erhöhen die als Katalysatormaterial verwendeten Edelmetalle den Preis zusätzlich.
Im Projekt StacIE („Stack Scale-up – Industrialisierung PEM Elektrolyse“) strebt die TU Ilmenau gemeinsam mit neun weiteren Projektpartnern aus Industrie und Forschung ein Upscaling der PEM-Elektrolyse in den Gigawatt-Maßstab an. Ambitionierte Ziele: Eine Effizienz über 75 Prozent, eine höhere Lebensdauer von mehr als 80.000 Stunden, geringere Herstellungskosten und großserientaugliche Produktionsverfahren. Das Forscherteam um Prof. Andreas Bund, Leiter des Fachgebiets Elektrochemie und Galvanotechnik der TU Ilmenau, will dabei zur Weiterentwicklung der sogenannten Stack-Technologie beitragen. Bei Stacks werden einzelne Elektrolysezellen zu einer Einheit zusammengefasst und elektrisch in Reihe miteinander zu einem Zellenstapel verschaltet. Das Fertigungsverfahren soll vereinfacht und die Komponenten für die Elektrolyseure leistungsfähiger gemacht werden. Auf diese Weise effizient, günstig und nachhaltig hergestellter Wasserstoff könnte in der Zukunft, so das Ziel des Bundesleitprojekts H2Giga, in ein deutschlandweites Verteilnetz für Wasserstoff eingespeist werden.
Wissenschaftliche Ansprechpartner:
Prof. Andreas Bund
Leiter Fachgebiet Elektrochemie und Galvanotechnik
Tel.: +49 3677 69-3107
Mail: andreas.bund@tu-ilmenau.de
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Dieses Fachgebiet umfasst wissenschaftliche Verfahren zur Änderung von Stoffeigenschaften (Zerkleinern, Kühlen, etc.), Stoffzusammensetzungen (Filtration, Destillation, etc.) und Stoffarten (Oxidation, Hydrierung, etc.).
Unter anderem finden Sie Wissenswertes aus den Teilbereichen: Trenntechnologie, Lasertechnologie, Messtechnik, Robotertechnik, Prüftechnik, Beschichtungsverfahren und Analyseverfahren.
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Neutrales Wasser hat kaum Leitfähigkeit und kann nicht elektrolysiert werden. Daher braucht es im Anlauf doch Chemikalien. Normales Leitungswasser kann wegen enthaltener Härtebildner nicht eingesetzt werden. Das verwendete Ausgangswasser muss eine Vorreinigung erfahren, die Energie und Aufwand kostet und bis jetzt nirgends eingerechnet wird. Auch bleiben dabei an Ionen aufkonzentrierte Abwässer. Das Betriebsverhalten einer Elektrolyse ist im Anlauf anders als im stabilen Dauerbetrieb wo tatsächlich nennenswerte Mengen umgesetzt werden können. Eine Elektrolyse mit instabiler Versorgung zu betreiben ist für mich unsinnig. Dass die Sauerstoff produzierende Anoden, die ja neben Wasserstoff produzierenden Kathoden auch gebraucht werden, 80000 Stunden halten, ist bis jetzt ein schönes Märchen. In der heutigen Praxis ist man mit 5000 – 10000 Std. hoch zufrieden. Die teuren Metalle auf den verbrauchten Anoden sind am Ende hochoxidiert, oft sogar giftig. Ihr Recycling läuft ebenfalls nicht chemikalienfrei und ist aufwendig. Bei einer großtechnischen Wasserstoffproduktion kommt man aber um eine Kreislaufwirtschaft nicht herum. Bei einmal Use wäre das sonst, wegen der Aufwendigen Gewinnung der Rohstoffe ein noch größerer Schwindel als die angeblich CO2-neutrale E-Mobilität. Überdies wäre es dann ein Umweltwahnsinn. Ich habe als promovierter Physikochemiker 12 Jahre in der F&E von Elektrolysezellen gearbeitet. Nach meiner Kenntnis gibt es noch etliche Fragen zu klären, vor wir in eine großtechnische Wasserstoffproduktion gehen können. Zeit-Horizont 5-10 Jahre. Die Klimaziele für 2030 wird man daher definitiv nicht mit einer Wasserstoffwirtschaft erreichen.
Momentan ist die einzige Methode zur Herstellung grünen Wasserstoffs die Elektrolyse unter Verwendung erneuerbarer Energien. Die Effizienz der Elektrolyse beträgt 70% und die der Brennstoffzelle 60%. Das macht nach Adam Riese 42%. Hier sind aber die Verluste der verbleibenden Infrastruktur noch nicht berücksichtigt. Die Speicherung des Wasserstoffs bei der Erzeugung unter hohem Druck (ca. 800 Bar) beträgt ca. 10%. Weitere 5% Verluste entstehen durch das um-pumpen vom Speicher in ein Transportfahrzeug. Erreicht dieses eine Tankstelle, entstehen nochmals ca. 5% Energieverluste beim um-pumpen in den Tankstellenspeicher. Endlich kann an der Tankstelle ein Fahrzeug aufgetankt werden mit weiteren 5% Energieverlust; die gesamte Energiebilanz ist schlechter als 20%.
Eine H2-Tankstelle kostet Minimum €2,5 Mio. aufwärts; eine Ladestation mit einigen Ladepunkten ca. €20,000,00. Die Wasserstoff Brennstoffzellenlösung ist eine Mär von wirtschaftlichen Desaster.