Vorlaufforschung für die Wasserstoffwirtschaft

Etablierte Konzepte zur Gewinnung von solarem Wasserstoff setzen auf eine Kombination von Photovoltaikanlagen und Elektrolyseuren zur Wasserspaltung. Allerdings ist diese Technologie sehr komplex, so dass die Investitions- und Wartungskosten hoch sind. Die direkte photokatalytische Wasserspaltung ohne Elektrolyseure besitzt dagegen klare wirtschaftliche Vorteile im Betrieb. Zudem ist sie aufgrund der geringen Systemkomplexität zuverlässiger und kaum wartungsanfällig. Kern der Neuentwicklung ist ein Tandem-Solarmodul, bei dem die Photoanode und -kathode auf die entgegengesetzten Seiten einer transparenten Trägerplatte aufgebracht sind. Bei der Bestrahlung mit Sonnenlicht wird auf der Kathodenseite Wasserstoff und auf der Anodenseite Sauerstoff freigesetzt. Zur Erhöhung des Wirkungsgrads entwickelt das Fraunhofer IKTS neue hochreine Halbleitermaterialien und schonende Beschichtungsverfahren. Dadurch kann das bisherige Problem der Defektdichte der Materialien deutlich reduziert und somit die Wasserstoffausbeute erhöht werden. Das Tandem-Modul ist beliebig skalierbar und somit attraktiv für die dezentrale Produktion von grünem Wasserstoff.

Neben Druck- und Flüssiggasspeichern kann Wasserstoff auch in porösen Metal Organic Frameworks (MOF) gespeichert werden. Diese metallorganischen Gerüstverbindungen sind bis zu 90 % porös und binden den Wasserstoff im Speichertank. So ist es möglich, größere Mengen an Wasserstoff zu speichern, ohne den Druck im Wasserstofftank zu erhöhen. Hierbei ist es wichtig, den Tank mit der größtmöglichen Menge an MOFs zu füllen, ohne dass diese beschädigt werden. Bei der Herstellung von MOFs geht es deshalb darum, einen Kompromiss zwischen ausreichender mechanischer Stabilität des Körpers und bestmöglichem Erhalt der ursprünglichen MOF-Eigenschaften im Formkörper zu finden. Das Fraunhofer IKTS entwickelt hierfür unterschiedliche Formgebungsverfahren. MOFs können beispielsweise als Pellets und Granulate in Schüttungen oder als Monolithe wie großformatige Scheiben und Waben realisiert werden.

Schiffe transportieren rund 90 Prozent des weltweiten Warenverkehrs. Allerdings zählen sie zu den größten CO₂-Verursachern, da klimafreundliche Antriebe bisher fehlen. In diesem Zusammenhang forscht das Fraunhofer IKTS an Membranreaktoren, mit denen sich an Bord eines Schiffes aus regenerativ erzeugtem Methanol Wasserstoff herstellen und im Schiffsantrieb nahezu ohne CO₂-Emissionen verbrennen lässt. Im Membranreaktor finden dabei zwei Prozesse statt: Methanol und Wasser werden in CO₂ und Wasserstoff umgewandelt und anschließend über Membranpermeation abgetrennt. Das abgetrennte CO₂ kann später wieder zur Methanolherstellung an Land genutzt werden, so dass sich ein geschlossener CO₂-Kreislauf für den Schiffsantrieb ergibt. Die im Membranreaktor eingesetzten keramisch geträgerten Kohlenstoffmembranen halten großen Reaktions- und Wasserstoffdrücken stand und ermöglichen einen hohen Reaktionsumsatz. Darüber hinaus sind die Membranen resistent gegenüber Reaktionsnebenprodukten.

Wichtiger Baustein einer zukünftigen Wasserstoffwirtschaft ist die Rückverstromung von Wasserstoff und Methan. Dafür arbeitet das Fraunhofer IKTS an einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle, mit der sich Wohnquartiere effektiv versorgen lassen. In der Brennstoffzelle können sowohl Wasserstoff als auch Methan eingesetzt werden. Um den Wirkungsgrad der Brennstoffzelle zu erhöhen, wird sie mit einer Mikrogasturbine intelligent zu einem Kreislaufsystem verbunden. Ein Vorteil dabei ist, dass die Gasturbine die notwendige Luft verdichtet und vorheizt, bevor sie in der Brennstoffzelle zur Energieerzeugung eingesetzt wird. Zudem lässt sich das in der Brennstoffzelle entstehende Abgas in der Gasturbine zur zusätzlichen Strombereitstellung nutzen.

Zum autarken Betrieb von IIoT- und IoT-Anwendungen (Industrial Internet of Things und Internet of Things) können wasserstoffbetriebene Brennstoffzellen vorteilhaft genutzt werden. Auf Basis der LTCC-Technologie entwickelt das Fraunhofer IKTS flexible Mikrobrennstoffzellensysteme in einem Leistungsbereich zwischen 150 mW und 5 W. Die Systeme lassen sich sowohl mit einer integrierten hydrolysebasierten Wasserstoffbereitstellung als auch integrierten Wasserstofftanks ausführen. In diesem Zusammenhang bietet die LTCC-Technologie die Möglichkeit, neben den Brennstoffzellenstacks auch die Ventile planar aufzubauen und somit ein kompaktes Gesamtsystem zu schaffen. Die keramischen Ventile erfüllen hierbei zwei Aufgaben. Zum einen steuern sie die Wasserstoffzufuhr in den Tank und zum anderen dosieren sie den Wasserstoff für den Brennstoffzellenstack – an den entsprechenden Energiebedarf angepasst. Aufgrund ihrer hohen Sensitivität ist eine sehr präzise Regelung der Wasserstoffzufuhr möglich.

Die Elektrifizierung des Antriebsstrangs kombiniert mit Wasserstoff als CO₂-freiem Energieträger ist ein fester Bestandteil der Strategie international tätiger Fahrzeughersteller und Energieversorger. Allerdings sind die Herstellkosten für wasserstoffbetriebene Brennstoffzellen derzeit noch hoch. Das Fraunhofer IKTS entwickelt hochproduktive, massentaugliche Rolle-zu-Rolle-Verfahren, mit denen sich die benötigten Hauptkomponenten effizient fertigen lassen. Dies umfasst beispielsweise Membran-Elektrodeneinheiten (MEA).