Wasserstofferzeugung durch Elektrolyse und weitere Verfahren

Viele Wege führen zum Wasserstoff! Nach dem Ausbau der erneuerbaren Energien und dem Einsatz von elektrischen Energiespeichern stellt die Erzeugung von nachhaltigem Wasserstoff als Ausgangsstoff für synthetische Energieträger den dritten zentralen Baustein der Energiewende dar.

Bei der Elektrolyse wird Wasser mithilfe von elektrischem Strom in die Gase Wasserstoff (H₂) und Sauerstoff (O₂) zerlegt. Wird der verwendete Strom aus erneuerbaren Quellen gewonnen, spricht man von grünem Wasserstoff. Jede Art der Elektrolyse bietet spezifische Vorteile, weshalb die Wahl der geeigneten Technologie je nach Einsatzszenario variiert.

Während die alkalische Elektrolyse und die Proton-Exchange- Membrane (PEM)-Elektrolyse bereits technisch ausgereift sind, bestehen bei der alkalischen Membran-Elektrolyse und der Hochtemperatur-Elektrolyse noch offene technologische Fragen.

Über viele Jahrzehnte haben sich robuste alkalische Elektrolyseure als zuverlässige Technologie in Kraftwerken und Chemieanlagen im stationären Betrieb mit konstanter Last bewährt. Nun steht jedoch ein Paradigmenwechsel bevor: Die verstärkten Lastschwankungen aufgrund der regenerativen Energien erfordern zusätzliche Konzepte.

Jünger als die alkalische Elektrolyse ist die PEM-Elektrolyse und weist diverse Vorteile auf: Mit ihr kann die verwendete Stromdichte sehr hoch und die Bauweise sehr kompakt sein. Das Verfahren ist dynamisch und die Zelle kann bei hohem Druck betrieben werden. Aufgrund des sauren Mediums erfordert die PEM-Elektrolyse jedoch sehr robuste Materialien, was unter anderem den Einsatz von Edelmetallen für die Elektroden erfordert. Die PEM-Elektrolyse befindet sich derzeit in der Phase des Scale-Ups und der Kostendegression und damit auf dem Weg zur Massenproduktion.

Kompaktere Elektrolyseure und kostengünstige Katalysatormaterialien lassen sich über alkalische Membran-Elektrolysezellen realisieren. Die Grundprozesse sind im Wesentlichen geklärt, aktuell stehen Fragen der Anwendung im Vordergrund.

Die Hochtemperatur-Elektrolyse erfolgt bei Temperaturen über 700 °C und entfaltet ihre Stärken dort, wo Abwärme zur Verfügung steht: Um ihre Reaktionen zu katalysieren, sind keine Edelmetalle nötig und es lassen sich gleichzeitig sehr hohe elektrische Wirkungsgrade erzielen. Diese Systeme können sowohl im Elektrolyse- als auch im Brennstoffzellenmodus genutzt werden. Darüber hinaus ermöglicht sie die Co-Elektrolyse, bei der Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff sowie Kohlendioxid in Sauerstoff und Kohlenmonoxid aufgespalten werden. Das Kohlenmonoxid bildet zusammen mit Wasserstoff das »Synthesegas«, welches als Ausgangsstoff für die Herstellung zahlreicher chemischer Produkte dient. Eine vergleichbare Co-Elektrolyse ist auch bei geringeren Temperaturen (< 100 °C) mit z.B. PEM-basierten Elektrolyseuren möglich. Hierbei können neben der Produktion von Synthesegas (Wasserstoff / Kohlenmonoxid) aus Kohlendioxid und Wasser auch die Synthese weiterer chemischer Grundstoffe wie Ameisensäure, Ethylen oder Ethanol ermöglicht werden. Solche Verfahren tragen so maßgeblich zur Defossilisierung chemischer Produkte und zur Synthese nachhaltiger Kraftstoffe für z.B. die Luft- oder Schifffahrt bei, indem sie einen geschlossenen Kohlenstoffkreislauf ermöglichen. Dieses Konzept wird als Carbon Capture and Utilization (CCU) Technologie bezeichnet.

Derzeit wird der größte Anteil an sogenanntem grauem Wasserstoff durch die Dampfreformierung von Erdgas erzeugt, was jedoch mit erheblichen Mengen an freigesetztem Kohlendioxid einhergeht. Eine nachhaltige Alternative besteht darin, das Erdgas durch Biogas (aus Biomassevergasung) zu ersetzen. Werden dafür biogene Reststoffe verwendet, ist dieser Prozess nachhaltig. Zusätzlich zu Erdgas kann auch Kohle als fossiler Rohstoff eingesetzt werden. In einer hydrothermalen Vergasung mit Wasserdampf wird Wasserstoff erzeugt, der auch als schwarzer Wasserstoff bezeichnet wird.

Von blauem Wasserstoff ist die Rede, wenn das bei der Dampfreformierung freigesetzte Kohlendioxid abgetrennt und in Lagerstätten im geologischen Untergrund gespeichert wird. Dieser Prozess wird als Carbon Capture and Storage (CCS) bezeichnet. Obwohl das Kohlendioxid so nicht in die Atmosphäre gelangt, besteht die Herausforderung darin, es dauerhaft und sicher zu lagern. Türkiser Wasserstoff entsteht bei der sogenannten Methanpyrolyse aus Erdgas, wobei Methan durch die Zufuhr von thermischer oder elektrischer Energie in gasförmigen Wasserstoff und festen Kohlenstoff gespalten wird. Dieser Feststoff kann einfach gelagert werden und dient als Ausgangsstoff für vielseitige Anwendungen. Blauer und türkiser Wasserstoff werden derzeit als Brückentechnologie diskutiert, bis Kostensenkungen bei der Elektrolyseurherstellung und ein weltweit wachsendes Angebot von kostengünstigem Strom aus Wind- und Sonnenenergie dafür sorgen, dass grüner Wasserstoff in ausreichenden Mengen zur Verfügung steht.

Ein weiteres Verfahren nutzt Sonnenlicht zur direkten Erzeugung von grünem Wasserstoff, indem Halbleiter das Licht absorbieren und an ihrer Oberfläche katalytisch Wasser spalten. Dieses Verfahren wird in photoelektrochemischen Zellen (PEC) umgesetzt, in denen Ladungsträger erzeugt werden, die dann für die Reduktion zu Wasserstoff bzw. die Oxidation zu Sauerstoff sorgen. Perspektivisch verspricht die direkte PEC-Spaltung von Wasser durch Licht einfache Aufbauten mit geringer Systemkomplexität. Praktisch befindet sich die Technologie aber noch in einem frühen technologischen Reifestadium.

Der Einsatz von photosynthetischen oder (photo-)fermentativen Mikroorganismen stellt eine rein biologische Methode zur Wasserstoffherstellung dar. Einige Vertreter von Mikroorganismen (z. B. Bakterien) und auch einige wenige eukaryotische Einzeller (z. B. Grünalgen) bilden Wasserstoff als Stoffwechselprodukt. Allerdings befinden sich photokatalytische und biologische Verfahren noch im frühen Entwicklungsstadium und können noch nicht abschließend auf ihre potenzielle Marktfähigkeit bewertet werden.

SkalPro – Skalierbare Produktionsprozesse für hocheffiziente Elektroden in der alkalischen Elektrolyse

Um in naher Zukunft hochaktive Elektroden für die alkalische Wasserelektrolyse in hoher Stückzahl produzieren zu können, sind weitere Innovationsschritte erforderlich. Das Fraunhofer- Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM hat sich daher zum Ziel gesetzt, ein Verfahren zur Herstellung von Elektroden zu entwickeln und zu erproben. Dieses Verfahren soll es ermöglichen, hochaktive Elektroden zu in großen Mengen und zu geringen Kosten herzustellen. Derzeit sind skalierbare Produktionsverfahren dieser Art nur in begrenztem Umfang auf dem Markt verfügbar. Das übergeordnete Ziel des Projektes ist die Entwicklung einer effizienten, kostengünstigen und ressourcenschonenden Produktionskette im Technikums-Maßstab zur Herstellung von hocheffizienten und langzeitstabilen Elektroden, die den Anforderungen der Elektrolyseindustrie entsprechen.

Integrate – Innovative Designs für alkalische Membran- Elektroden zur kostengünstigen Herstellung von grünem Wasserstoff im Gigawatt-Maßstab

Die vollständige Umstellung des Energiesektors von einer Wirtschaft basierend auf fossilen Energieträgern zu einer, die erneuerbare Energien zu ihrer Grundlage macht: Das ist ehrgeizige Ziel der Industrieländer bis 2050. Allein für Deutschland ergibt sich daraus ein Wasserstoff-Bedarf von 78 Terrawattstunden (TWh) für 2030 und 294 TWh für 2050. Die erforderliche Elektrolysekapazität hängt stark von der Effizienz der Technologie ab, wird aber in der Größenordnung von 44 Gigawatt (GW) Kapazität für 2030 und 213 GW Kapazität für 2050 liegen. Dieses Modell basiert jedoch auf einer Steigerung des Wirkungsgrads der Elektrolysetechnik um 12 % zwischen 2030 und 2050. Um dies zu erreichen, müssen bestehende Elektrolysetechnologien (alkalische Elektrolyse - AEL, Polymerelektrolytmembran- Elektrolyse - PEMEL, Festoxid-Elektrolysezelle - SOEC) weiterentwickelt werden und neue, effizientere Technologien den Weg zur Marktreife finden. Ein Projekt des Fraunhofer-Instituts für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM sieht in der Anionenaustauschmembran- Elektrolyse (AEMEL) die aussichtsreichste Technologie zur Verbesserung des Wirkungsgrades mit Zellspannungen von 1,8 V bei einer Stromdichte von 1,5 A/cm² bis 2030. Die Hauptvorteile dieser Technologie bestehen darin, dass der ohmsche Innenwiderstand durch den Einsatz einer Anionenaustauschmembran (AEM), der dem PEMEL entspricht, radikal reduziert werden kann. Im Gegensatz zum PEMEL erlaubt das alkalische Medium jedoch die Verwendung von Übergangsmetallen in allen Komponenten. Damit ist eine geringe Kritikalität für alle Materialien und die Skalierung der Technologie im Gegensatz zum PEMEL gegeben. Das Projekt umfasst den Entwurf und die Optimierung eines neuartigen Anionenaustauschmembran- Elektrolyseurs (AEMEL), der für den GW-Markt konzipiert wurde, um die Kosten für die Wasserstoffproduktion zu minimieren. Neu sind dann die Elektrodenzusammensetzung, die chemische Struktur der Membran, die durch Modellierung optimierte Katalysatorschicht-Struktur, das Verwenden neuer poröser Transportschichten und die Implementierung der Ergebnisse in einen AEMEL Stack.

OffsH2ore – Wasserstofferzeugung auf dem Meer durch PEM-Elektrolyse

Im Projekt OffsH2ore wurde ein technisches Anlagenkonzept für eine Offshore-Wasserstoffproduktion in Verbindung mit einem schiffsbasierten Transportkonzept für Druckwasserstoff erarbeitet. Das Team, bestehend aus Projektpartnern1 entlang der gesamten Wertschöpfungskette, entwickelte eine Blaupause für eine 500 MW Offshore-Wasserstoff-Produktionsplattform sowie ein Transportkonzept für Druckwasserstoff. Zusätzlich wurde ein detailliertes technisches Konzept und eine techno-ökonomische Analyse erstellt. Die Ergebnisse zeigten, dass Offshore-Wasserstoff-Erzeugung mittels PEM-Elektrolyse sowohl technisch als auch ökonomisch machbar ist und zur Diversifizierung der europäischen Wasserstofferzeugung beiträgt. Besonders für Länder wie Deutschland, in denen die großtechnische Erzeugung von grünem Wasserstoff aufgrund von Landnutzungskonkurrenz bereits eine Herausforderung darstellt, eröffnet die Wasserstofferzeugung auf dem Meer mithilfe der Offshore-Windenergie eine zusätzliche Option.

BMBF-Projekt GreatSOC – Grüne Ammoniaksynthese und -Nutzung für den Seeverkehr durch SOC-Technologie (Haber-Bosch-Ammoniaksynthese durch Elektrolyse von Wasserdampf/ Stickstoff-Gemischen)

Ein Großteil der Stromerzeugung aus Wind- und Solarenergie erfolgt nicht unmittelbar am Ort des Energiebedarfs. Daher ist die Entwicklung flexibler Energieträger mit hohen Kapazitäten entscheidend, um Energie zu speichern und ortsunabhängig und bedarfsgerecht abzurufen. Dafür eignet sich insbesondere Ammoniak, das gekoppelt an die Wasser- Elektrolyse von grünem Wasserstoff emissionsfrei in einer Haber-Bosch-Synthese erzeugt wird – mit dem Vorteil einer hohen volumetrischen und gravimetrischen Energiedichte und Transportfähigkeit in Großtanks. Ammoniak kann direkt genutzt oder wieder in Wasserstoff umgewandelt werden. Damit kann es eine wichtige Rolle bei der Etablierung einer Wasserstoffwirtschaft spielen. Im vom Bundesministerium für Bildung und Forschung finanzierten Projekt GreatSOC entwickelt und testet das Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS den Einsatz einer verfahrenstechnischen Verschaltung von eigenen SOE-Stacks zur Synthesegasproduktion für die Haber-Bosch-Ammoniaksynthese durch Elektrolyse von Wasserdampf/Stickstoff-Gemischen und untersucht die dabei auftretenden Degradationsphänomene. Diese Festoxidzellen (Solid Oxide Electrolysis, SOE) arbeiten bei Temperaturen zwischen 500 und 850 °C.

H2Meer – Effiziente, selektive und flexible Erzeugung von Wasserstoff aus Meerwasser

Das übergeordnete Ziel des H2MEER-Projekts, das am Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM erforscht wird, ist die Entwicklung kostengünstiger und effizienter Elektrolyseure für die Erzeugung von grünem Wasserstoff direkt aus Meerwasser oder salzhaltigem Wasser zur Herstellung von grünem Wasserstoff. Erreicht werden soll dies durch neue kostengünstige Komponenten wie Katalysatoren, porösen Elektroden und neu entwickelten Membran- und Separatormaterialien. Darüber hinaus wird der optimierte Betrieb von Meerwasserelektrolyseuren erforscht und getestet und später eingesetzt werden. Langzeittests mit Zellen im Labormaßstab in Kombination mit simulierten Offshore- Stromeinspeisungen werden die Robustheit und Eignung des neuen Systems verifizieren. Ein wichtiges Teilziel ist die Entwicklung von stabilen Materialien und Komponenten, die eine lange Lebensdauer bei hoher Leistung und Selektivität gewährleisten können. Die lange Lebensdauer ist wichtig, um einen wirtschaftlichen Vorteil für die Technologie der Meerwasserelektrolyse und ihren Einsatz in einer Offshore-Power-to-Gas-Anlage im Vergleich zu alternativen Verfahren zu erzielen. Dies wird im Rahmen des Projekts in einer technisch-wirtschaftlichen Studie auf der Grundlage der erzielten Ergebnisse analysiert werden. Von besonderer Bedeutung ist hierbei die Entwicklung von korrosionsstabilen Komponenten für den gesamtem Stack. Hier werden umfassende Untersuchungen durchgeführt, um neue Materialien für den Einsatz in der direkten Meerwasserelektrolyse zu nutzen.

Techno-ökonomischen Bewertungen und Lebenszyklusanalysen

Die effiziente und wirtschaftlich sinnvolle Nutzung von grünem Wasserstoff in verschiedenen Sektoren erfordert ein umfassendes Verständnis aller einzelnen Elemente der Wasserstoffversorgungskette. In technisch-ökonomischen Analysen entwickeln und bewerten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme maßgeschneiderte Lösungen für die Produktion von sauberem Wasserstoff aus erneuerbaren Energien, seine effiziente Speicherung und bedarfsgerechte Verteilung. Die am Fraunhofer ISE entwickelte Toolbox »H2ProSim« ist ein umfangreiches Werkzeug zur simulationsgestützten, technoökonomischen Bewertung von Wasserstoffanlagen und -versorgungsketten unter Verwendung der Simulationsumgebung »Matlab/Simulink/Stateflow«. Die Toolbox ist modular aufgebaut und wird ständig weiterentwickelt. Eine hohe Genauigkeit ist durch eine umfassende Datenvalidierung aus Forschungsund Entwicklungsprojekten und eigenen Forschungsplattformen gegeben. Ein integriertes Kostenmodell ermöglicht die Berechnung der Wasserstoffproduktionskosten. Von Machbarkeitsanalysen über Anlagenplanungen und -optimierungen bis hin zu Wasserstoff-Ertragsprognosen wird die Toolbox »H2ProSim« entlang der gesamten Wasserstoff-Wertschöpfungskette eingesetzt werden. Ein zunehmend wichtiges Thema ist Life Cycle Analysis – also die Erfassung von Energie- und Stoffflüssen über den ganzen Lebenszyklus von Produkten, um Unternehmen und öffentliche Entscheidungsträger zu beraten. Am Fraunhofer ISE beschäftigt sich ein interdisziplinäres Team mit der Nachhaltigkeitsbewertung (nach ISO 14040/44) entlang der kompletten Wasserstoffproduktionskette von der Erzeugung über den Transport bis zur stofflichen oder energetischen Verwertung in Industrie und Verkehr.

Design of Tomorrow: Entwicklung von Elektrolyse- Stacks für die automatisierte Fertigung

Zurzeit werden PEM-Elektrolyse-Stacks mit einem geringen Automatisierungsgrad vornehmlich in Handarbeit assembliert. Ziel dieses Projekts ist die Weiterentwicklung neuer Stacks, um hohe Automatisierungsgrade und Taktfrequenzen von wenigen Hertz zu ermöglichen. Die Forschung wird im Rahmen des BMBF-Leitprojekts H2Giga durchgeführt. In H2Giga arbeiten neben 130 anderen beteiligten Institutionen das Fraunhofer IWU, IPT, IPA, ENAS, IMWS und UMSICHT. Alle mit dem gemeinsamen Ziel, Elektrolyseure in die Serienfertigung zu bringen. Beim Fraunhofer UMSICHT wird ein innovatives, dichtungsfreies Stack-Design auf Basis von verschweißten Zellverbünden entwickelt. Als »Design of Tomorrow« soll das dichtungsfreie Konzept eine hochautomatisierte Fertigung aus Halbzeugen ermöglichen. Die Stack-Produktion soll dabei im Wesentlichen an einem Standort möglich sein, um lange Lieferketten zu vermeiden. Das Fraunhofer ISE unterstützt Industriepartner bei der konzeptionellen Entwicklung einer Fertigungslinie für die Stackproduktion, sowie bei der eigentlichen Entwicklung eines großflächigen Stacks mit konventionellem Design. Dazu gehören u.a. Untersuchung des Optimierungspotenzial aller Komponenten im Stack, Qualifizierung und Quantifizierung von Komponenten und Komponenteneigenschaften, Entwicklung von Korrosionsschutzschichten für metallische Komponenten und Integration des Prozessschrittes in die Fertigung, Definition und Test von Prüfprotokollen in der Stackproduktion, Mitarbeit beim »Design of Tomorrow«, Entwicklung von Testabläufen und -anlagen sowie Betriebsabläufen innerhalb des Produktionsflusses einer automatisierten Serienfertigung von PEM-Stacks.

Grünes Methanol für die Schifffahrt mittels Co-Elektrolyse

Der Klimawandel erzwingt eine ambitioniertere Reduktion des CO₂-Ausstoßes. Deutschland und EU haben verbindliche Ziele für Verkehrssektor und Quoten für erneuerbare Kraftstoffe vorgegeben. Schwer zu elektrifizierende Bereiche wie Schiffsund Luftverkehr haben aber keinen technisch etablierten Weg, dies ökonomisch zu erfüllen. Alternative Kraftstoffe auf Basis von H2 und CO₂ (eFuels) bieten eine skalierbare Alternative, sind aber nicht bereit für den Markthochlauf. Ziel des Projektkonsortiums2 ist daher die Entwicklung einer Prozesskette zur Herstellung von strombasiertem Methanol (eMethanol) aus CO₂. CO₂ wird aus industriellen Prozessemissionen, welche theoretisch RED II-konform als grün einstufbar sind. Fraunhofer UMSICHT entwickelt in diesem Projekt einen Prototyp einer neuen Niedertemperatur-Co-Elektrolyse (NTCE) basierend auf einer Polymerelektrolytmembran. Dieser erzeugt Synthesegas in variabler Zusammensetzung mittels Elektrolyse von Wasser und CO₂ bei Temperaturen < 100 °C. Die NTCE wird im Projekt samt Elektrolyse-Stack und Balance-of-Plant auf die Integration in die Prozesskette entwickelt und in modularer Containerbauweise aufgebaut. Entwicklungsschwerpunkte liegen auf der Evaluierung geeigneter Prozessführungen und Gasreinigungsprozesse mit dem Ziel eines resilienten Betriebs auch beim Einsatz unter flexiblen Lasten ohne die Qualität des produzierten Synthesegases negativ zu beeinflussen.

»VerKEl« – Verschleißfeste keramische Elektroden für Elektrolyseure zur Erzeugung von Wasserstoff

Zur dezentralen Erzeugung von Wasserstoff in kleinen und mittelgroßen Anlagen stehen als am weitesten entwickelte Technologien die PEM und die alkalische Elektrolyse zur Verfügung. Die PEM-Elektrolyse erreicht höhere Leistungsdichten, ist aber auf seltene und teure Katalysatormaterialien angewiesen. Die alkalische Elektrolyse ist für die Anwendung in der zukünftig notwendigen Größenordnung besser geeignet, da sie mit günstigen, gut verfügbaren Katalysatormaterialien auskommt. Am ISC-HTL sollen im Projekt3 wartungsarme, bzw. wartungsfreie Elektrolysezellen aus keramischen Werkstoffen für den Einsatz in kleinen Elektrolyseuren mit einer Nennleistung zwischen 1 kW und 100 kW mit hoher Umweltverträglichkeit und niedrigem Preis entwickelt werden. Die Nutzung keramischer Werkstoffe anstelle von bisher üblichen Nickel-Stahlblechen soll spezifische Vorteile carbidischer und nitridischer Keramiken nutzen und dadurch Herstell- und Betriebskosten reduzieren. Neuartige Elektroden sollen auf Basis leitfähiger Keramiken und faserverstärkten keramischen Verbundwerkstoffen als Ersatz für die bisher üblichen stahlbasierten Elektroden entwickelt werden. Dabei muss vor allen eine Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit, sowie eine Anpassung für möglichst große aktive Oberflächen für eine ausreichende Zu- und Abfuhr des Elektrolyts und der Spaltprodukte erfolgen.