Elektrolyse-Plattform – Effiziente Herstellung von Wasserstoff und chemischen Produkten
Grüner Wasserstoff gilt als Schlüsseltechnologie für die Dekarbonisierung
der Industrie. Der Durchbruch scheiterte bislang an Effizienz, Kosten und
Skalierbarkeit bei der Herstellung. Dr. Mihails Kusnezoff, Dr. Stefan
Megel und Dr. Sindy Mosch vom Fraunhofer-Institut für Keramische
Technologien und Systeme IKTS in Dresden haben einen
Hochtemperaturelektrolyse-Stac
setzt: Er erzeugt Wasserstoff mit bislang unerreichter Effizienz, kann
ebenso als Brennstoffzelle arbeiten und ist für die industrielle
Serienfertigung ausgelegt. Dafür wurden die drei Forschenden mit dem
Joseph-von-Fraunhofer-Preis 2026 ausgezeichnet.
Die Hochtemperaturelektrolyse ist ein hocheffizientes Verfahren zur
Wasserstoffherstellung. Dabei wird Wasserdampf in einer Elektrolysezelle
in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. Der Vorteil: Dank der hohen
Temperaturen kann industrielle Abwärme direkt als Spaltungsenergie genutzt
werden. Das spart teuren Strom, beschleunigt die elektrochemischen
Reaktionen und optimiert so den Wirkungsgrad.
Neuer wissenschaftlich-methodischer Ansatz des Fraunhofer IKTS
Die Forschenden am Fraunhofer IKTS verfolgen seit mehr als zwei
Jahrzehnten eine äußerst anspruchsvolle Vision: Die
Hochtemperaturbrennstoffzellen und -elektrolyseure so leistungsfähig,
robust und wirtschaftlich zu machen, dass sie die Energiewende nicht nur
unterstützen, sondern entscheidend beschleunigen könnten. »Unser Ziel war
von Anfang an, eine Brücke zwischen Elektronen und Molekülen zu schaffen«,
sagt Dr. Mihails Kusnezoff, Abteilungsleiter Werkstoffe und Komponenten
und Leiter des Geschäftsfelds Energie am Fraunhofer IKTS. Dabei
unterscheidet sich der Ansatz des Fraunhofer-IKTS-Teams deutlich von
vielen Wettbewerbern: Statt separate Konzepte für Elektrolyseure und
Brennstoffzellen zu verfolgen, entwickelten die Forschenden ein System,
das beide Betriebswelten gleichermaßen abdeckt. Eine große
Herausforderung, denn »während in der Brennstoffzelle niedrige Widerstände
und hohe Spannungen gefragt sind, erfordert die Elektrolyse einen
langzeitstabilen, nahezu thermoneutralen Betrieb mit minimalen
Temperaturgradienten«, erklärt Dr. Mihails Kusnezoff.
Massenproduktionsfähiger, universell einsetzbarer Stack
Im Labor entwickelten die Forschenden neue Materialien für Elektrolyt und
Elektroden, optimierten Mikrostrukturen und bauten damit
hochleistungsfähige Zellen. »Erst die Kombination vieler Zellen schafft
den sogenannten Stack – das Herzstück des Systems. Er ermöglicht die
nötige Skalierung, um Wasserstoff in industriellen Mengen zu erzeugen«,
erläutert Dr. Sindy Mosch, Forscherin in der Arbeitsgruppe Werkstoffe für
gedruckte Systeme am Fraunhofer IKTS. Der technische Durchbruch gelang
schließlich durch eine Kombination aus Materialinnovation,
Designoptimierung und konsequenter Industrialisierung. »Wir mussten
lernen, elektro-chemische, thermische und mechanische Effekte als
Gesamtsystem zu denken. Erst durch das präzise Zusammenspiel von
Mikrostruktur, Sinterverhalten und Schutzschichten konnten wir eine Zelle
entwickeln, die sowohl im harten Elektrolysebetrieb als auch im
Brennstoffzellenmodus über Jahre zuverlässig funktioniert«, so Dr. Sindy
Mosch.
Der Fraunhofer-IKTS-Stack arbeitet stabil in einem erweiterten
Temperaturfenster von 750 °C bis 850 °C – ein entscheidender Faktor für
die Lebensdauer eines Elektrolyseurs. In diesem Betriebstemperaturbereich
lassen sich nicht nur Wasserdampf und CO₂ in Synthesegas über Elektrolyse
umwandeln, sondern auch verschiedene Brennstoffe wie Erdgas, Biogas,
Methanol, Ethanol oder sogar grünes Ammoniak im Brennstoffzellenmodus für
die Stromerzeugung nutzen.
Vom Labor in die Fabrik: Pilotfertigung in Arnstadt
Parallel adressierte das Team die industrielle Skalierung, indem es die
metallische Bipolarplatte für eine effiziente Herstellung in einem
einzigen Pressschritt neu auslegte und skalierbare Beschichtungsverfahren
für Elektroden sowie Kontakt- und Schutzschichten entwickelte. »Für uns
war klar: Eine Technologie ist erst dann ein Beitrag zur Energiewende,
wenn sie in der Fabrik und nicht nur im Labor funktioniert«, betont Dr.
Stefan Megel, Gruppenleiter Keramische Energiewandler am Fraunhofer IKTS.
Die industrielle Reife der Technologie überzeugte auch die Industrie:
thyssenkrupp nucera identifizierte den entwickelten Stack als besonders
effiziente und vielversprechende Lösung im Bereich der
Hochtemperaturelektrolyse. Innerhalb von nur 14 Monaten errichtete das
Fraunhofer IKTS am Standort Arnstadt eine erste teilautomatisierte
Pilotfertigungslinie als Basis für die weitere Hochskalierung zusammen mit
dem Industriepartner thyssenkrupp nucera. »Die Pilotfertigung zeigt, dass
unsere Stacks nicht nur wissenschaftlich führend, sondern auch industriell
beherrschbar und wirtschaftlich produzierbar sind – bis hin zur Gigawatt-
fähigen Fabrik«, so Dr. Stefan Megel.
Schlüsseltechnologie für die industrielle Dekarbonisierung
Die Stack-Entwicklung am Fraunhofer IKTS hat nicht nur neue Maßstäbe in
Effizienz und technologischer Einsatzflexibilität gesetzt, sondern bildet
auch die Grundlage für die industriele Nutzung von Strom und Abwärme für
die hocheffiziente Wasserstoff- und Synthesegaserzeugung. Damit leistet
das Team des Fraunhofer IKTS einen direkten Beitrag zur globalen
Energiewende und stärkt zugleich die Wettbewerbsfähigkeit des Standorts
Deutschland.
Originalpublikation:
https://www.fraunhofer.de/de/p
/elektrolyse-plattform-effizie
chemischen-produkten.html
