PEM Elektrolyse
Wasserstoff ein Hoffnungsträger
Wasserstoff ist einer der großen Hoffnungsträger für die Energiewende und den Strukturwandel im Rheinischen Revier. Einerseits kann er als Speichermedium dienen und damit die schwankende Stromproduktion durch erneuerbare Energien wie Photovoltaik oder Windkraft ausgleichen. Andererseits kann er in der Chemie- und Stahlindustrie Grundstoffe ersetzen, die heute noch aus fossilen Quellen stammen.
Wasserstoff kann mittels Elektrolyse erzeugt werden. Dabei wird Wasser in Elektrolyseuren durch eine chemische Reaktion in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. Um diese Reaktion zu erzwingen, wird Strom benötigt. Stammt der Strom für die Elektrolyse vollständig aus erneuerbaren Energien, ist die Erzeugung des Wasserstoffs CO2-neutral. Man erhält dann den sogenannten grünen Wasserstoff.
Leistungssteigerung, aber wie? – Die PEM-Elektrolyse
Die Bundesregierung geht in ihrer Nationalen Wasserstoffstrategie davon aus, dass der Wasserstoffbedarf in Deutschland von aktuell 55 TWh pro Jahr (hierbei wird Wasserstoff als Grundstoff im Industriesektor genutzt) bis 2030 auf 90 bis 110 TWh pro Jahr steigen wird. Hierfür ist auch eine nachhaltige inländische Wasserstoffproduktion unverzichtbar. Für diese sollen bis 2030 Erzeugungsanlagen mit einer Gesamtleistung von 5 GW errichtet werden. Diese Anlagen können im Jahr aus 20 TWh elektrischer Energie aus erneuerbaren Quellen bis zu 14 TWh grünen Wasserstoff produzieren.
Zwar wurde die Elektrolysekapazität in Europa seit 2012 deutlich ausgebaut, doch ist für den aktuellen und zukünftigen Bedarf ein weiterer Ausbau nötig. Seit 2015 kommen vermehrt PEM-Elektrolyseure zum Einsatz, die nach den in ihnen verbauten Polymer-Elektrolyt-Membranen (PEM) benannt sind und im Vergleich zu anderen Elektrolysetechnologien besser mit der schwankenden Stromproduktion durch erneuerbare Energien zurechtkommen und weniger Chemikalien benötigen.
Bild: Schematischer Aufbau einer Elektrolysezelle, wie sie in Wasser-Elektrolyseuren zu finden ist. Auf die Polymer-membran in der Mitte sind direkt die beiden Katalysatorschichten aufgetragen. Diese drei Schichten bilden zusammen die Membran-Elektroden-Einheit (MEA). Die Gasdiffusions-Schichten können aus unterschiedlichen Materialien bestehen. Zumeist werden feine Metallgitter oder Kohlenstoff-Papier genutzt. Außen sorgen Flussfelder für die Verteilung des Wassers in der Zelle.
Der technische Reifegrad der PEM-Elektrolyseure ist bereits auf einem sehr guten Niveau, aber bisher werden diese Anlagen nahezu vollständig im Manufakturbetrieb hergestellt. Zudem ist die durchschnittliche Lebensdauer der Elektrolysezellen, in denen die chemische Reaktion abläuft, noch nicht auf einem Niveau, das einen wirtschaftlichen Betrieb ermöglicht.
Daher arbeiten wir in unserer Forschungsgruppe daran, die Herstellung von Elektrolyseuren und die Lebensdauer von Elektrolysezellen zu verbessern.
Unsere Forschung – Wir arbeiten dran!
In mehreren industrienahen Forschungsprojekten beschäftigen wir uns in Kooperation mit unseren Projektpartnern mit der kontinuierlichen Fertigung von Elektrolyseuren. Dafür entwickeln wir bei uns eine geeignete Inline-Analytik, mit der die Qualität der Bauteile schon während des Fertigungsprozesses überprüft werden kann. So kann bei Abweichungen direkt gegengesteuert werden.
Um die Lebensdauer von PEM-Elektrolysezellen zu optimieren, nehmen wir die speziellen Degradationsphänomene innerhalb dieser Zellen in den Blick. Von besonderem Interesse ist dabei die Membran-Elektroden-Einheit (MEA), das Herzstück einer jeden Elektrolysezelle. Wir untersuchen die Mechanismen und Einflussfaktoren, die die MEA negativ beeinflussen. Unsere Forschung reicht dabei von kleinsten Elektrolysezellen auf Laborebene bis hin zu industriellen Elektrolyseuren mit einer Leistung von mehreren Kilowatt. Zudem ist der Betrieb eines Megawatt-Elektrolyseurs geplant.
Indem wir die relevanten Ursachen für die Limitierung der Zelllebensdauer aufklären und die Herstellung von PEM-Elektrolyseuren verbessern, sorgen wir dafür, dass diese Elektrolysetechnik als wichtiger Baustein für eine klimafreundliche Zukunft wettbewerbsfähig werden kann.
Interesse an einem richtungsweisenden Forschungsfeld?
Optimiere mit uns die Wasserstoffproduktion!
Unsere Doktorandinnen und Doktoranden arbeiten an vielen spannenden Themen, zum Beispiel in den Bereichen Mikroskopie, Spektroskopie und Zelldesign.
Wenn du einen technischen, chemischen oder anderen naturwissenschaftlichen Masterstudiengang erfolgreich abgeschlossen hast und die Wasserstoffforschung mit deinen Ideen und Kenntnissen voranbringen willst, bewirb dich auf eine unserer ausgeschriebenen Doktorandenstellen.