Elektrolyseverfahren zur Erzeugung von grünem Wasserstoff

Die Hochtemperatur-Elektrolyse bietet zahlreiche Vorteile. Im Vergleich zu etablierten alkalischen oder PEM-Elektrolyseuren benötigt sie keine Edelmetallkomponenten. Wird die Hochtemperatur-Elektrolyse in Prozesse implementiert, in denen zusätzlich große Mengen an Abwärme verfügbar sind – wie in der Stahlindustrie – kann der Wirkungsgrad gegenüber anderen Technologien deutlich erhöht werden. Zudem ermöglicht die Hochtemperatur-Elektrolyse die direkte Herstellung von Synthesegas.

Bei der Hochtemperatur-Elektrolyse mit Festoxidzellen (Solid Oxide Electrolysis, SOE) finden die Umwandlungsprozesse bei Temperaturen von über 750 °C statt. Als Schlüsselkomponente dienen SOE-Stacks, die im Elektrolyse- und Brennstoffzellenmodus arbeiten können. Durch Anlegen einer Spannung über einen sauerstoffionenleitenden Elektrolyten wird Wasserdampf in Wasserstoff und Sauerstoff gespaltet. Darüber hinaus besteht im Co-Elektrolyse-Betrieb die Möglichkeit, nicht vermeidbares, klimaschädliches CO₂ zur Herstellung klimaneutraler Produkte zu nutzen. Dafür werden Wasser und CO₂ in Sauerstoff, Wasserstoff und Kohlenmonoxid aufgespalten. Am Ende entsteht aus der elektrischen Energie ein Synthesegas, welches gespeichert, aber vor allem auch in höherwertige Produkte umgewandelt werden kann (siehe Wasserstoffnutzung).

Das Fraunhofer IKTS arbeitet seit über 25 Jahren im Bereich der SOE und besitzt umfangreiches Know-how entlang der gesamten Wertschöpfungskette: vom Material bis zum System inklusive Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen. Aus den Entwicklungen am Institut sind in den vergangenen Jahren erfolgreich agierende Unternehmen entstanden. Am IKTS werden Stacks und Module für die Integration in Elektrolyseanlagen im Pilotmaßstab hergestellt und hinsichtlich ihrer Langzeitstabilität und Leistung (z. B. Erhöhung der Stromdichte auf bis zu 0,75 A/cm²) optimiert. Im Fokus liegen nun die Entwicklung und Erprobung einer industrietauglichen automatisierbaren Stackherstellung sowie Modularisierungskonzepte für Stacks höherer Leistungsklassen.

Neben sauerstoffleitenden Elektrolyten, wie sie in SOE-Stacks zum Einsatz kommen, entwickelt das Fraunhofer IKTS auch protonenleitende Materialien für Elektrolyseure, die bei Temperaturen von 550 bis 600 °C eingesetzt werden. Sie ermöglichen es, Wasserstoff ohne weitere Aufbereitungsprozesse in hochreiner wasserfreier Form bereitzustellen. Wird dieser Prozess mit exothermen Syntheseprozessen kombiniert, kann die Reaktionsabwärme direkt für die Energieversorgung der Elektrolyse verwendet werden. Dies steigert den Wirkungsgrad der chemischen Wandlungsprozesse deutlich.

Wesentliche Parameter bei der Nutzung von Protonenleitern sind die Protonenleitfähigkeit, die chemische Stabilität und der Polarisationswiderstand zwischen Elektrode und Elektrolyt. Das Fraunhofer IKTS entwickelt hierfür Elektrolyt- und Elektrodenmaterialien und überführt diese analog zur SOE-Technologie in planare Stacks.

Die alkalische Elektrolyse (AEL) ist ein industriell etabliertes Verfahren zur Wasserstoff- und Sauerstoffherstellung. Sie nutzt einen OH^--leitenden Flüssigelektrolyten und wird bei einer Temperatur von etwa 80 °C betrieben. Aufgrund der fortgeschrittenen Technologiereife und geringen spezifischen Investitionskosten im Vergleich zu anderen Elektrolysetechnologien ist sie derzeit das weltweit am meisten genutzte Verfahren. Dennoch ist die Marktdurchdringung der alkalischen Elektrolyseure allgemein noch nicht sehr groß und automatisierte Produktionsverfahren derzeit nicht etabliert. Am IKTS werden daher Stack- und Systemkomponenten hinsichtlich der Leistungsdichte (derzeit Stromdichten von < 0,5 A/cm²) sowie ökologischer und konstruktiver Aspekte (Reduzierung von Edelmetallkatalysatoren, Steigerung der aktiven Elektrodenfläche) optimiert. Durch langjährige Erfahrungen im SOE- und MCFC-Stackbau können hier wesentliche Schritte zur Verbesserung ökologischer und wirtschaftlicher Parameter erzielt werden.

Mittels Niedertemperatur-Membran-Elektrolyse kann aus Industrie- und Bergbauwässern Wasserstoff effizient gewonnen werden. Das Fraunhofer IKTS hat hierfür das sogenannte RODOSAN^®-Verfahren entwickelt. Dabei wird bei der elektrochemischen Aufbereitung von schwefelsauren oder sulfatreichen Wässern neben Sulfat und Eisen auch Wasserstoff als verwertbares Reaktionsprodukt abgetrennt. Dieser Prozess geschieht in Membran-Elektrolysezellen, deren Elektrodenräume durch eine Anionenaustausch-Membran voneinander getrennt sind. Unter Stromfluss werden an der Kathode Wasserstoffionen entladen und Wasserstoff als Gas abgeführt.

Die Erkenntnisse, die aus der Nutzung der Anionenaustausch-Membranen in diesem Prozess resultieren, nutzt das Fraunhofer IKTS für die Weiterentwicklung moderner alkalischer Membran-Elektrolyseure (AEMEL).