Umweltfreundlicherer Ansatz zur Erzeugung von grünem Wasserstoff
Obwohl Wasserstoff potenziell eine große Rolle bei Europas Energiewende übernehmen kann, muss, um dieses Potenzial nutzen zu können, zunächst ein entscheidendes Hindernis überwunden werden, denn Wasserstofferzeugung verfügt über einen ziemlich großen CO2-Fußabdruck. „Für die Herstellung hochwertiger Chemikalien und sauberer Brennstoffe wie Methanol wird Wasserstoff benötigt. Da Wasserstoff jedoch in der Regel aus Kohlenwasserstoffen gewonnen wird, geht seine Erzeugung mit erheblichen CO2-Emissionen einher“, erklärt Daniel Garcia-Sanchez, leitender Forscher am Institut für Technische Thermodynamik des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt. Nach Ansicht von Garcia-Sanchez könnte grüner Wasserstoff die Antwort sein. „Die am besten zur Erzeugung von grünem Wasserstoff geeignete Technologie ist die Protonenaustauschmembran-Wasserelektrolyse“, erläutert er. Die Protonenaustauschmembran-Wasserelektrolyse bringt jedoch ihre eigenen ökologischen Herausforderungen mit sich, denn sie erfordert den Einsatz kritischer Rohstoffe. „Die Abhängigkeit der Protonenaustauschmembran-Wasserelektrolyse von Edelmetallkatalysatoren und teuren Komponenten aus Titan stellt eine ernsthafte Bedrohung für die erfolgreiche Skalierung und Vermarktlichung dieser Technologie dar“, fügt Garcia-Sanchez hinzu. Mit Unterstützung des EU-finanzierten Projekts PROMET-H2 arbeitet Garcia-Sanchez führend an der Entwicklung einer nachhaltigeren, kostengünstigeren Protonenaustauschmembran-Wasserelektrolyse mit, bei der keine Kompromisse hinsichtlich Leistung und Langlebigkeit eingegangen werden müssen. „Unser Ziel besteht darin, dass wir das richtige Gleichgewicht zwischen Wirtschaftlichkeit und Nachhaltigkeit finden, und damit die Protonenaustauschmembran-Wasserelektrolyse als die Technologie der Wahl zur Erzeugung und Speicherung von grünem Wasserstoff positionieren“, erläutert Garcia-Sanchez.
Kritische Rohstoffe durch umweltverträgliche ersetzen
Um dieses Ziel zu erreichen, muss bei der Protonenaustauschmembran-Wasserelektrolyse der Einsatz kritischer Rohstoffe drastisch reduziert und müssen diese durch umweltfreundlichere und wirtschaftlichere Materialien ersetzt werden. Im Rahmen des Projekts wurden neuartige Katalysatoren und verbesserte Elektroden entwickelt, mit denen der Einsatz kritischer Rohstoffe stark reduziert werden kann. Dank der im Rahmen von PROMET-H2 entwickelten neuen katalysatorbeschichteten Membranen wird der Iridiumgehalt in der Katalysatorschicht um den Faktor zehn verringert. „Mit der neuen katalysatorbeschichteten Membran wird nicht nur der Einsatz kritischer Rohstoffe drastisch verringert, sondern auch die Leistung nicht beeinträchtigt“, so Garcia-Sanchez. „Tatsächlich steigert unsere Lösung die Leistung und sie verlängert die erwartete Lebensdauer der Lösung.“ Im Zuge des Projekts wurde außerdem das bei der Protonenaustauschmembran-Wasserelektrolyse verwendete Titan durch Edelstahl ersetzt, ein Material, das sowohl äußerst langlebig ist als auch aus recycelten Materialien hergestellt werden kann. Auch Edelstahl selbst ist ein recycelbarer Werkstoff. Apropos Recycling: Ein weiteres wichtiges Projektergebnis war ein neues, umweltfreundliches Verfahren zum Recycling und zur Wiederverwendung kritischer Rohstoffe. Der hydrometallurgische Prozess bietet eine Rückgewinnungsrate von 100 % für Platin und von 60 % für Iridium.
Eine nachhaltige, leistungsstarke und langlebige Protonenaustauschmembran-Wasserelektrolyse
Der PROMET-H2-Elektrolyseur wird gemäß Plan in einer Anlage zur Produktion von erneuerbarem Methanol mit einer H2-Produktionskapazität von 25 kW erprobt und validiert werden. Außerdem wird erwartet, dass die PROMET-H2-Lösung die Investitionskosten im Vergleich zu einer standardgemäßen Protonenaustauschmembran-Wasserelektrolyse um bis zu 21 % senken wird. „Dank des Engagements aller Projektpartner ist es uns gelungen, eine nachhaltige, leistungsfähige und langlebige Protonenaustauschmembran-Wasserelektrolyse mit außergewöhnlich niedrigen Investitionskosten zu entwickeln“, schließt Garcia-Sanchez. „Damit haben wir dazu beigetragen, dass grüner Wasserstoff zu einem tragfähigen Motor der Energiewende in Europa werden kann.“ Das Projektteam hat mehr als dreizehn Artikel in hochrangigen Fachzeitschriften veröffentlicht, seine Arbeit auf zahlreichen internationalen Konferenzen diskutiert und mehrere Patente erhalten. Die Forschenden arbeiten gegenwärtig daran, die Gesamtkosten der Protonenaustauschmembran-Wasserelektrolyse und die dabei bestehende Abhängigkeit von kritischen Rohstoffen weiter zu reduzieren.
Schlüsselbegriffe
PROMET-H2, grüner Wasserstoff, Wasserstoff, kritische Rohstoffe, Energiewende, Protonenaustauschmembran-Wasserelektrolyse, PEMWE, rostfreier Stahl
