Die Erzeuger
Wissenschaftler des Forschungszentrums arbeiten daran, etablierte Verfahren zur Produktion von Wasserstoff, wie beispielsweise die Elektrolyse, kostengünstiger und nachhaltiger zu machen.
Schnell drehen sich die Windräder. Die Produktion grünen Stroms läuft auf Hochtouren. Was davon in diesem Moment die Computer in den Büros, die Haushalte und die Industrie nicht brauchen, lässt sich nutzen, um in Elektrolyse-Anlagen Wasser zu spalten. Auf diese Weise entsteht Wasserstoff, die elektrische Energie wird dabei in chemische Energie umgewandelt. So lässt sich überschüssiger Strom speichern.
„Wir arbeiten an der Optimierung von drei verschiedenen Elektrolyse-Verfahren“, sagt Dr. Martin Müller vom Institut für Energie- und Klimaforschung (IEK-14). Der Verfahrenstechnik-Spezialist weiter: „Jedes hat seine Stärken und seine Schwächen. Welches das Rennen macht, ist noch offen und hängt zudem davon ab, ob die Elektrolyse-Anlage beispielsweise direkt an einem Windpark, einer Heim-Photovoltaikanlage oder in einem Chemieverbund installiert ist.“
Elektrolyse-Anlage
Wo Jülicher Forschende die Zelle verbessern
- PEM-Anlagen benötigen teure und seltene Edelmetalle wie Platin und Iridium. Doch Jülicher Forschende haben kürzlich eine Anode (Pluspol) entwickelt, bei der bereits ein Hauch Iridiumoxid genügt, um hervorragende Ergebnisse zu erzielen. Mit solchen Elektroden könnten sich PEM-Anlagen verwirklichen lassen, die nur noch rund 10 Prozent der bisherigen Iridium-Menge brauchen.
- Jülicher Wissenschaftler haben die Baueinheit aus beschichteter Membran und Elektroden mittels eines massentauglichen und trotzdem flexiblen Verfahrens hergestellt. Dabei werden die Stoffe für die einzelnen Schichten jeweils in Flüssigkeiten fein verteilt und die so entstandenen Dispersionen mit einer geschlitzten Düse Schritt für Schritt aufgetragen.
- Ein neues Design von PEM-ElektrolyseAnlagen mit sehr dünnen Membranen ermöglicht es, das Wasser anders als herkömmlich zuzuführen. Daraus ergibt sich nach Berechnungen eine Verringerung der Investitionskosten um 15 Prozent.
Arten von Elektrolyse-Anlagen
Die Klassische
Die Vielversprechende
Die Hitzige
Sozusagen von der Stange zu kaufen gibt es Anlagen, bei denen die zentrale Komponente, der Elektrolyt, eine alkalische Flüssigkeit ist. Alkalische Elektrolyse-Anlagen kommen mit kostengünstigen Materialien aus. Ein wesentlicher Nachteil ist ihre geringe Leistungsdichte: Pro Quadratzentimeter Fläche produzieren sie vergleichsweise wenig Wasserstoff. Hoher Platzbedarf und Materialverbrauch sind die Folge. „Alkalische Elektrolyseure gelten gemeinhin als technisch ausgereift, aber wir verfolgen neue Ansätze, um ihre Leistungsdichte zu erhöhen“, sagt Müller. Einer dieser Ansätze beruht auf neuen Trennwänden, die im flüssigen Elektrolyten eingezogen sind, um Minuspol (Kathode) und Pluspol (Anode) elektrisch voneinander zu isolieren.
Höhere Leistungsdichten als alkalische Elektrolyseure erreichen Anlagen, bei denen der Elektrolyt nicht aus einer Flüssigkeit, sondern aus einer hauchdünnen Schicht besteht, einer sogenannten Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM). Jedoch stehen einer größeren Verbreitung die hohen Kosten der PEM-Anlagen im Weg. „Jülicher Forschende haben verschiedene Teile der Anlage im Visier, um das zu ändern“, sagt Dr. Marcelo Carmo, Elektrochemiker am IEK-14.
Während alkalische und PEM-Elektrolyseanlagen üblicherweise bei rund 80 Grad Celsius betrieben werden, benötigt das dritte Elektrolyseverfahren mehr als 650 Grad Celsius. Bei diesen sogenannten SOE-Anlagen (Solid Oxide Electrolysis, Festoxid-Elektrolyse) muss die hohe Betriebstemperatur auch aufrechterhalten werden, wenn gerade kein Strom zur Verfügung steht. Denn das Hoch- und Runterfahren würde noch mehr Energie kosten – dabei würde außerdem das Material schneller ermüden. Wirtschaftlich interessant ist die Technik dennoch: „Die SOE-Anlagen eignen sich sehr gut, um die Wärme zu nutzen, die bei vielen Prozessen in der Industrie anfällt. Sie wandeln dann den Strom äußerst effizient in die chemische Energie des Wasserstoffs um“, erläutert Prof. Ludger Blum vom IEK-14. Die Jülicher Forschenden haben SOE-Elektrolyseure durch verschiedene Verbesserungen in den letzten Jahren zuverlässiger und langlebiger gemacht.
