Wie grüner Wasserstoff skalierbar und nachhaltig wird
Grüner Wasserstoff ist ein emissionsfreier Brennstoff, der durch Wasserelektrolyse und mit Strom aus erneuerbaren Energien erzeugt wird. Protonenaustauschmembran-Elektrolyseure (PEM) sind Vorrichtungen, die mithilfe von Strom Wasser spalten. Sie gelten als eine der attraktivsten Technologien zur Erzeugung von grünem Wasserstoff, da sie gut mit erneuerbaren Energien funktionieren. Eine große Herausforderung ist jedoch, dass PEM-Elektrolyseure auf teure und knappe Platingruppenmetalle angewiesen sind. Iridium ist beispielsweise ein hervorragender Katalysator für die Sauerstoffentstehungsreaktion, der die rauen sauren Bedingungen innerhalb des Elektrolyseurs übersteht. Weltweit werden jedoch jährlich nur etwa acht Tonnen produziert, was eine ernsthafte Einschränkung darstellt. Zudem sind derzeitige Fertigungsprozesse wie etwa die Beschichtung von Katalysatoren langsam, komplex und schwer einheitlich steuerbar, was für die Massenproduktion nicht immer ideal ist.
Weniger Abhängigkeit von kritischen Rohstoffen
Im Rahmen des EU-finanzierten Projekts Naco Tech(öffnet in neuem Fenster) sollten diese beiden miteinander verbundenen Probleme angegangen werden: Wie kann die Menge an kritischen Rohstoffen, die in Wasserstoffsystemen zum Einsatz kommen, reduziert werden, und wie können Katalysatorbeschichtungen auf eine besser skalierbare und steuerbare Weise aufgebracht werden? „Unsere vorgeschlagene Lösung beinhaltete die Anwendung eines Verfahrens mit der Bezeichnung Hochgeschwindigkeits-Magnetron-Sputtern (HMS)“, erklärt Projektmitglied Pāvels Nazarovs von Naco Technologies(öffnet in neuem Fenster) in Lettland. „Die Katalysatorschicht wird als dünne nanostrukturierte Beschichtung gebildet, wobei Dicke, Zusammensetzung und Beladung genau steuerbar sind.“ Das Ziel der Arbeit von Naco Tech, das vom Europäischen Innovationsrat(öffnet in neuem Fenster) unterstützt wird, bestand darin, das Hochgeschwindigkeits-Magnetron-Sputtern von der chargenweisen Beschichtung auf die Rolle-zu-Rolle-Produktion umzustellen, bei der Membranen oder andere flexible Substrate kontinuierlich beschichtet werden können. Zu diesem Zweck arbeitete das Projektteam mit PEM-Elektrolyseur- und Brennstoffzellenherstellern sowie mit lokalen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern der Universität Lettland zusammen.
Erhebliche Reduzierung der Iridiumbeladung
Das Team konnte nachweisen, dass mithilfe des Hochgeschwindigkeits-Magnetron-Sputterns in einem einzigen Schritt sowohl Katalysatorbeschichtungen erzeugt als auch aufgetragen werden können, ohne dass Katalysatortinten oder nasschemische Verfahren eingesetzt werden. „Wir konnten gleichermaßen unser wichtigstes technisches Ziel erreichen, und zwar die Iridiumbeladung um etwa das Zehnfache zu reduzieren, ohne dabei die Leistung zu beeinträchtigen“, berichtet Nazarovs. „Bei unseren besten Membrankonfigurationen erreichte die per Hochgeschwindigkeits-Magnetron-Sputtern beschichtete Katalysatorschicht eine bessere Leistung als handelsübliche Vergleichsproben, während viel weniger Iridium verbraucht wurde.“ Ausgewählte katalysatorbeschichtete Membranen wurden in einem echten Elektrolyseurstapel getestet, wodurch sich bestätigte, dass die Beschichtungen in einer praktischen Systemumgebung und nicht nur in kleinen Laborzellen funktionieren können. „Den nächsten Schritt bildet die Maßstabserweiterung“, merkt Nazarovs an. „Wir müssen jetzt von der Beschichtung im Chargen- und Pilotmaßstab zur kontinuierlichen Rolle-zu-Rolle-Produktion übergehen, bei der Membranen in größeren Mengen mit stabiler Qualität und wiederholbarer Leistung beschichtet werden können.“
Stärkerer europäischer Energiekreislauf
Der wichtigste Beitrag von Naco Tech wird darin bestehen, grünen Wasserstoff leichter skalierbar und preiswerter erzeugen zu können. „Auf einer breiteren Ebene kann grüner Wasserstoff Europa helfen, ein vollständigeres und unabhängigeres Energiesystem aufzubauen“, erklärt Nazarovs. „Erneuerbarer Strom aus Wind und Sonne kann zur Erzeugung von Wasserstoff genutzt werden, der dann gespeichert und transportiert werden kann. Dann kann der Wasserstoff in der Industrie, im Schwerlastverkehr, bei der Energiebilanzierung und in anderen Sektoren, die nur schwer direkt elektrifizierbar sind, eingesetzt werden.“ Hier bietet sich die Möglichkeit, einen viel stärkeren Energiekreislauf rund um europäische erneuerbare Ressourcen zu schaffen, anstatt sich auf importierte fossile Brennstoffe und geopolitisch sensible Gaslieferungen verlassen zu müssen. „Das übergeordnete Ziel besteht darin, kostengünstigen grünen Wasserstoff, robustere europäische Lieferketten, eine geringere Abhängigkeit von importierter fossiler Energie und eine nachhaltigere industrielle Zukunft zu fördern“, bekräftigt Nazarovs abschließend.
