Wasserstoffökonomie als Energiekonzept der Zukunft
Mit Wasserstoff weg von Kohle, Gas und Öl: Aus erneuerbaren Energien CO2-frei gewonnen, hat grüner Wasserstoff das Potenzial als regenerativer Energieträger unser Energie-, Wärme-, Wirtschafts- und Verkehrssystem zu defossilisieren.
Material entscheidend für Wasserstoffökonomie
Der erfolgreiche Hochlauf einer nationalen und europäischen Wasserstoffökonomie hängt auch von einem effizienten Materialeinsatz ab. Dies gilt insbesondere für Edelmetalle, die in der sogenannten PEM (Protonenaustauschmembran) Technologie zum Einsatz kommen. Eines dieser Edelmetalle ist Iridium – es ist extrem selten, aber im Prozess der Wasserstoff-Herstellung unverzichtbar. Für einen erfolgreichen Hochlauf der Produktion, müssen die Rohstoffbedarfe von Stoffen wie Iridium oder Platin für die Erzeugung und Nutzung berücksichtigt werden. Heraeus bietet über die Geschäftseinheit Heraeus Precious Metals Elektrokatalysatoren inklusive aller zugehörigen Services bis zum Recycling an. Dadurch kann Wasserstoff einerseits mit weniger Edelmetall erzeugt werden, und andererseits durch Rückgewinnung nachhaltig im Prozess gehalten werden. Heraeus Precious Metals stellt so ein Portfolio zur Verfügung, das den Ausbau der elektrolytischen Wasserstoffherstellung mittels PEM-Elektrolyse fördert und durch geringe Edelmetallmengen zur Kostensenkung und Wettbewerbsfähigkeit von grünem Wasserstoff beiträgt.
Heraeus unterstützt die Wasserstoffökonomie auf vielfältige Weise
(1) Elektrolyse
Im ersten Schritt geht es darum, grünen Wasserstoff effizient zu produzieren. Elektrolyse heißt das Stichwort: Mithilfe von Strom aus erneuerbaren Energien erzeugen Katalysatoren Wasserstoff aus Wasser – wandeln also elektrische Energie in chemische Energie um.
Eine führende Technologie dafür ist die PEM-Elektrolyse. Dank ihrer hervorragenden dynamischen Reaktionszeit eignen sich PEM-Elektrolyseure ideal für die Speicherung von schwankenden Strommengen aus erneuerbaren Energien in Form von Wasserstoff.
Bei der Elektrolyse wird Wasser durch elektrischen Strom im PEM-Elektrolyseur in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. Die Elektrodenreaktionen werden durch die beiden Edelmetalle Iridium und Platin katalysiert. Dabei entstehen Sauerstoff und Wasserstoff.
Die Herausforderung dabei: Die PEM-Elektrolyseure brauchen das extrem seltene Metall Iridium. Es bringt die erforderlichen Eigenschaften für die Wasserspaltung mit, ist aber weltweit nicht in ausreichenden Mengen vorhanden, um die zu erwartenden Kapazitäten bei der heutigen Mengenverwendung im Elektrolyseur zu versorgen. Heraeus Precious Metals forscht schwerpunktmäßig daran, die Iridium-Menge zu reduzieren. Weltweit werden nur rund acht Tonnen Iridium jährlich gefördert. Das Edelmetall wird nicht nur bei der Herstellung von Wasserstoff genutzt, sondern findet auch in andere Anwendungen Verwendung. Die jährliche Fördermenge lässt sich nicht signifikant steigern – Iridium fällt bei der Platinförderung in geringen Mengen an, eine Steigerung ließe sich wirtschaftlich für Minen nicht abbilden.
Etablierte Lösungen zur Herstellung von Wasserstoff mit reinem Iridium benötigen durchschnittlich eine halbe Tonne des Metalls für ein Gigawatt Elektrolyseurleistung. Das macht offensichtlich: in Bezug auf die ambitionierten Ziele der Regierungen wird hier sehr schnell ein Engpass entstehen.
Für die Zukunft der Wasserstoffwirtschaft ist es also entscheidend, den Iridium-Anteil in der PEM-Elektrolyse zu verringern.
Neben etablierten Lösungen mit höherer Iridium-Beladung hat Heraeus deshalb Katalysatoren entwickelt, die mit bis zu 90 Prozent weniger Iridium bei einer bis zu dreimal höherer Leistung auskommen. Dies leistet außerdem einen entscheidenden Beitrag zur Kostensenkung. Ein Meilenstein, um grünen Wasserstoff wirtschaftlich zu machen.
(2) Transport und Speicherung
Nach der Produktion ist der sichere Transport des Wasserstoffs eine Schlüsselfrage. Die Erzeugung des Wasserstoffs ist ortsgebunden, da sie dort erfolgt, wo Strom aus erneuerbaren Energien zur Verfügung steht. Dies wird in Zukunft zur Bildung regionaler Wasserstoff-Hotspots führen.
Das heißt, die Transportfrage ist dringlich. Als sehr flüchtiges Gas entweicht Wasserstoff schnell, zudem ist er sehr reaktiv sowie explosiv und verflüssigt erst bei minus 253 Grad. Das macht es zur Herausforderung, ihn sicher zu transportieren und zu speichern. Jede Art von Speichervorgang ist mit zusätzlichem Energieaufwand verbunden. Die Forschung an verschiedenen Transport- und Speicheroptionen läuft bereits seit Jahren. Neben Konzepten wie umgebauten Erdgas-Pipelines und LKW-Trailern für gasförmigen oder flüssigen Wasserstoff zeigen sogenannte Wasserstoffspeichermoleküle hohes Potenzial.
Dazu wird Wasserstoff in andere chemische Verbindungen eingebracht. Das ist sinnvoll, wenn sich die neue Chemikalie beispielsweise leichter verflüssigen lässt, oder bereits flüssig ist. Wie beim Transport mittels flüssigen organischen Wasserstoffträgern (LOHC) oder per Ammoniak, wobei letzteres in mehreren Punkten überzeugen kann. Denn es lässt sich energiesparend schon bei minus 33 Grad verflüssigen. Zudem kann es pro Raumeinheit mehr Wasserstoff speichern als Wasserstoff selbst. Und der Wasserstoff kann relativ leicht und unter nur geringen Energieverlusten rückgewonnen werden.
So „verpackt“ in Ammoniak lässt sich die Transporthürde von Wasserstoff nehmen. Voraussetzung für das Einbringen und Auslösen von Wasserstoff aus diesem Trägergas ist eine entsprechende Technologie. Heraeus bietet dazu einsatzbereite Katalysatorkonzepte mit Ruthenium an. Die Entwicklung zielt dabei auf eine effiziente Nutzung des Edelmetalls zur möglichst vollständigen Umwandlung und Wiedergewinnung von Wasserstoff bei diesem Transportkonzept.
(3) Alternative Kraftstoffe
Der Beitrag von Wasserstoff ist vielfältig – so ist Wasserstoff auch eine wichtige Komponente für die Herstellung von alternativen Kraftstoffen.
Herkömmliche Kraftstoffe werden aus Erdöl gewonnen. Eine nachhaltige Alternative stellt synthetischer Kraftstoff dar. Dieser kann aus Kohlenstoffdioxid (CO2) und Wasserstoff hergestellt werden – unter anderem mittels der sogenannten Fischer-Tropsch-Synthese.– Um den Prozess nachhaltig zu gestalten können industrielle CO2 reiche Abgase oder CO2 aus der Luft verwendet werden. Gemeinsam mit grünem Wasserstoff entsteht so eine nachhaltige Alternative zu Benzin, Diesel und Kerosin.
Bei den Synthesen dieser Kraftstoffe kommen wieder Edelmetalle, häufig auf Basis von Ruthenium, Platin oder Palladium zum Einsatz. Ebenso spielen sie wie schon heute bei der Reinigung der Abgase eine Rolle. Die Entwicklung von Heraeus Precious Metals fokussiert sich auf die effiziente Nutzung des Edelmetalls. Dies verringert die Kosten des Katalysators und macht die Herstellung von alternativen Kraftstoffen so konkurrenzfähig.
(4) Brennstoffzellen
Neben den Industrie- und Wirtschaftssektoren setzt der Transportsektor auf Wasserstoff als CO2-freien Energieträger. So kann er in Form von Wasserstoff-Brennstoffzellen zum Antrieb der Zukunft in der Elektromobilität werden. Während kleinere Fahrzeugklassen mit geringeren Reichweiten- und Lastanforderungen auch noch mit rein batterieelektrischen Motoren auskommen, ist für größere Transportmittel mit kurzen Tankzeiten und langen Strecken der Wasserstoffantrieb das Nonplusultra.
Protonenaustauschmembran (PEM)-Brennstoffzellen, die Wasserstoff und Luftsauerstoff in Wasser umwandeln und dabei Energie freisetzen, entwickeln sich aktuell zur führenden Technologie in diesem Bereich. Bei Brennstoffzellen-E-Fahrzeugen treibt die Energie aus der Zelle kontinuierlich einen Elektromotor an. Auf diese Weise können große Fahrzeuge mit Transportaufgaben wie LKWs, Busse oder Züge ähnlich schnell wie mit konventionellen Kraftstoffen betankt werden und bei Bedarf lange Strecken zurücklegen.
Herzstück der PEM-Brennstoffzelle ist die Membran, die auf beiden Seiten mit platinbasierten Katalysatoren beschichtet ist. Erst das Platin auf der Membran sorgt für die erforderliche Trennung der Elektronen und Protonen im Wasserstoff, so dass mit den Elektronen Strom gewonnen werden kann. Heraeus hat für die Elektroden solcher Brennstoffzellen ein ganzes Portfolio edelmetallbasierter Katalysatoren für unterschiedlichste Einsatzbedingungen entwickelt. Sie ermöglichen bei einem effizienten Platineinsatz nicht nur kostengünstigere, sondern auch langlebigere Brennstoffzellen Stacks.
(5) Recycling
In einer funktionierenden Wasserstoffökonomie werden häufig Edelmetalle mit begrenztem natürlichem Vorkommen benötigt. Umso wichtiger ist es, sie nach dem Verwendungsende zurückgewinnen zu können. Die nachhaltige Verfügbarkeit dieser Ressourcen ist insbesondere bei Iridium für die Wasser-Elektrolyse entscheidend und beeinflusst auch stark die spätere kostentechnische Konkurrenzfähigkeit.
Heraeus verfügt als einer der größten Edelmetalldienstleister der Welt über das erforderliche Know-how die benötigten Edelmetalle zu beschaffen, die spezialisierten Edelmetall-Katalysatoren zu entwickeln und herzustellen und schließlich die benutzten Katalysatoren effizient zu recyceln.
Schon bei der Beschaffung hilft die Erfahrung der Experten mit Modellen zur Preissicherung. Mit jeder neuen Generation verringert der Katalysator-Spezialist den Iridium- und Platineinsatz schon bei der Herstellung. Dazu kommt das umfangreiche Wissen in der Wiederaufbereitung, mit dem sich die kostbaren Edelmetalle in hoher Rate und Reinheit zurückgewinnen lassen.
Um eine Wasserstoffökonomie umzusetzen, sind aber noch weitere Reduzierungen der Edelmetallbeladungen erforderlich. Für unsere Energiezukunft ist es daher wichtig, die hohen Rohstoffbedarfe für die Erzeugung und Nutzung von Wasserstoff im Auge zu haben.
