Grüner Wasserstoff

Das Erdöl von morgen

Von Manfred Lindinger
06.07.2021
, 17:34
Der grüne Wasserstoff verbreitet sich: In Deutschland sind derzeit 91 Wasserstofftankstellen in Betrieb, weitere saubere Zapfsäulen sollen folgen.
Grüner Wasserstoff hat das Potential die fossilen Energieträger abzulösen. Doch noch besteht viel Forschungsbedarf, etwa bei der Frage nach günstigen Katalysatoren für die Wasserelektrolyse.
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Wasserstoff ist das Gas, von dem Klimaschützer, Energieexperten und mittlerweile viele Politiker hierzulande träumen, weil es helfen könnte, die CO₂-Emissionen drastisch zu senken. In den kommenden Jahrzehnten soll das Gas die fossilen Energieträger Kohle und Öl ablösen. Das leichteste aller Elemente könnte herkömmliche Kraftstoffe ersetzen und emissionsfreie Autos ermöglichen, die mit Brennstoffzellen betrieben werden. Vor allem soll Wasserstoff als chemischer Energiespeicher dienen, um den Strom aus den fluktuierenden Quellen Wind und Sonne zu speichern. Einige Großkonzerne wollen auf den Wasserstoffzug aufspringen. So plant ThyssenKrupp seine Hochöfen zur Stahlerzeugung künftig statt mit Kohle mit Wasserstoff zu befeuern.

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Um den Weg in eine Wasserstoffgesellschaft zu ebnen, hat die Bundesregierung in ihrem Konjunkturpaket neun Milliarden Euro lockergemacht und die Nationale Wasserstoffstrategie ins Leben gerufen – mit dem ehrgeizigen Ziel, „grünen“, also CO₂-frei erzeugten Wasserstoff möglichst schnell marktfähig zu machen. Allerdings gibt es bis dahin noch einige Stellschrauben zu justieren, insbesondere bei der Wasserstofferzeugung per Elek­trolyse. Wasserstoff ist gegenüber konventionellen Brennstoffen noch immer nicht konkurrenzfähig. Denn die großtechnische Spaltung von Wasser in dessen Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff ist zu teuer und rechnet sich noch nicht. Nutzt man fluktuierende Stromquellen wie Wind- und Sonne, treten weitere Probleme auf.

Versuchsaufbau zur Elektrolyse. Hier wird Wasser aufgespalten in Sauerstoff
und Wasserstoff.
Versuchsaufbau zur Elektrolyse. Hier wird Wasser aufgespalten in Sauerstoff und Wasserstoff. Bild: DLR

Tatsächlich erfüllt Wasserstoff alle Kriterien, die man an einen Brennstoff der Zukunft stellt. Bei der Verbrennung des Gases entsteht nämlich nur Wasserdampf, es bilden sich praktisch keinerlei Schadstoffe. Zum anderen ist Wasserstoff in nahezu unbegrenzter Menge vorhanden – allerdings nur in Wasser und Kohlenwasserstoffen gebunden. Wasserstoff wird bereits heute für die chemische Industrie in großen Mengen gewonnen, indem etwa Erdgas verbrannt wird, wobei aber wiederum Kohlendioxid entsteht. Nur einen geringen Teil erzeugt man mit regenerativen Energien. Wasserstoff ist aber nur dann als kohlendioxidfreier Energieträger sinnvoll, wenn man ihn großtechnisch per Elektrolyse von Wasser mit den Erneuerbaren herstellt.

Die Crux mit den Erneuerbaren

Durch den massiven Ausbau von Wind- und Solarenergie, der in den kommenden Jahren noch weiter gesteigert werden soll, ist die Erzeugung von grünem Wasserstoff lukrativer geworden. An vielen Standorten wird in Pilotprojekten klimaneutraler Wasserstoff produziert und mit Kohlendioxid aus der Luft in synthetische Treibstoffe umgewandelt. Viele Start-ups bieten technische Lösungen an. Bei der Wasserelektrolyse in einer elek­trochemischen Zelle sind drei Varianten nutzbar: die alkalische Wasserelektrolyse, die PEM-Zelle (PEM steht für Protonenaustauschmembran) und die Hochtemperatur- oder auch Dampfelektrolyse. Letztere ist noch in der Entwicklungsphase, verspricht aber einen hohen Wirkungsgrad von mehr als 90 Prozent. Ein Vorteil ist, dass Wasserdampf hier gespalten wird, also ein Teil der Energie bereits als Wärme vorliegt und nicht vollständig über elektrischen Strom zugeführt werden muss. Doch jeder Zelltyp hat seine Vor- und Nachteile. Kopfzerbrechen bereitet nach wie vor die Stabilität der Katalysatoren, mit denen die Anode beschichtet ist.

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Am weitesten ausgereift und deshalb am meisten genutzt ist die alkalische Elektrolysezelle. Je nach Größe des Elektrolyseurs können 1000 Kubikmeter Wasserstoff pro Stunde produziert werden bei einem Wirkungsgrad von etwa 70 Prozent. Als Elektrolyt wird flüssige Kalilauge verwendet, als Membran ein für Hydroxidionen durchlässiges Diaphragma, das Anode und Kathode, also die Orte, wo der Sauerstoff und der Wasserstoff gebildet werden, voneinander trennt. Die alkalische Zelle kommt ohne teure Edelmetalle als Katalysatoren aus, was das Verfahren günstig macht. Doch die günstigen Reaktionsbeschleuniger verlieren schnell ihre katalytische Aktivität, wenn eine Elektrolyseanlage nicht mit konstanter Leistung aufgrund fluktuierender Stromquellen gefahren werden kann. Es rechnet sich aber nicht, sie nur an den wenigen Tagen zu nutzenwenn die Sonne scheint und der Wind kräftig weht Deshalb weicht man auf teure Katalysatoren wie Platin und Iridium aus, die besser mit den schwankenden Stromquellen zurechtkommen, doch die machen die Elektrolyse teuer.

Sauerstoffblasen, die an einem Elektrokatalysator an der Anode bei der Spaltung von Wasser entstehen.
Sauerstoffblasen, die an einem Elektrokatalysator an der Anode bei der Spaltung von Wasser entstehen. Bild: ETH Zürich, Matthias Frei

Materialforscher suchen daher nach robusteren, aber edelmetallfreien und daher preiswerten Alternativen. Chemiker um Michael Bron von der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg beispielsweise untersuchen Nickelhydroxid. Die Forscher haben herausgefunden, dass entgegen der Lehrmeinung Nickelhydroxid zusätzlich an Stabilität und Aktivität gewinnt, wenn man es bis auf 900 Grad erhitzt. Das liegt an sich ausbildenden Strukturen aus Nickeloxid, die sich zusammenlagern und streifenförmige Muster ausbilden. Diese vergrößern die Oberfläche und erhöhen damit die Aktivität des Katalysators, wie Bron und seine Kollegen in „ACS Catalysis“ schreiben.

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Würde man mit dem Material die Anode einer Zelle beschichten, erhöhte sich die Effizienz der Elektrolyse, und der Katalysator wäre zudem besser vor schwankendem Solar- und Windstrom gewappnet, so die Forscher. Wissenschaftler um Peter Strasser von der TU Berlin haben ebenfalls einen vielversprechenden edelmetallfreien Katalysator aus Nickel- und Eisenoxiden identifiziert. Dieser kann mit der katalytischen Wirkung von Iridium sogar fast mithalten, wie Laborexperimente zeigen .

Kostbare Reaktionsbeschleuniger

Deutlich besser geeignet für fluktuierende Stromquellen sind die PEM- oder sauren Elektrolysezellen, die seit vergleichsweise kurzer Zeit auf dem Markt sind. Pro Stunde lassen sich damit etwa hundert Kubikmeter Wasserstoff erzeugen. PEM-Zellen nutzen eine Polymermembran, die Protonen passieren lässt. Als Katalysator an der Anode wird meist teures Platin oder noch wertvolleres Iridiumoxid verwendet. Forscher vom Fritz-Haber-Institut in Berlin haben entdeckt, warum das seltene Edelmetalloxid nicht nur katalytisch äußerst aktiv, sondern auch so außergewöhnlich stabil ist. Der Grund: Während im Dauerbetrieb Platin und andere Edelmetalle allmählich korrodieren und ihre katalytischen Eigenschaften verlieren, reagieren Iridium und Iridiumoxid äußerst flexibel. Die strenge kristalline Struktur der aktiven Oberfläche löst sich im Betrieb zwar auf, aber ohne dabei zu zerfallen. Der Prozess ist reversibel, und die katalytische Wirkung bleibt erhalten. Wie man dank hochauflösender Mikroskope und empfindlicher Analysegeräte heute weiß, wird die Korrosion durch elektrochemische Prozesse ausgelöst, die durch die Zellspannung von 1,5 Volt getriggert werden. Diese Spannung ist erforderlich, damit die Wasserstoffspaltung überhaupt in Gang kommt und sich die zweiatomigen Wasserstoffmoleküle bilden können.

Dass sich die entscheidenden Prozesse für die Wasserspaltungsreaktion auf der Oberfläche des Katalysators, der gleichzeitig die Anode bildet, abspielen, haben die Forscher aus Berlin gemeinsam mit Wissenschaftlern der ETH Zürich kürzlich untermauern können.

Bisher glaubte man, dass die elektrochemischen Prozesse in der Zelle maßgeblich sind. Diese Erkenntnis könnte die Suche nach geeignetem Ersatz für Iridiumoxid auch bei den PEM-Zellen erleichtern. Und das ist dringend geboten. Um die in der Wasserstoffstrategie der Bundesregierung anvisierten Ziele zur Wasserstoffproduktion bis 2030 zu erfüllen, müsste allein Deutschland die gesamte jährliche Iridiumförderung der Welt nutzen, hat Peter Strasser ausgerechnet. Der Weg in eine klimaneutrale Wasserstoffgesellschaft scheint aber noch weit.

Quelle: F.A.Z.
Manfred Lindinger - Portraitaufnahme für das Blaue Buch "Die Redaktion stellt sich vor" der Frankfurter Allgemeinen Zeitung
Manfred Lindinger
Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.
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