Fraunhofer IKTS entwickelt Elektrolyse-Stack Effiziente Herstellung von grünem Wasserstoff

Anbieter zum Thema

Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS

Schneider Electric GmbH

Nuventura GmbH

Grüner Wasserstoff gilt als Schlüsseltechnologie für die Dekarbonisierung der Industrie. Der Durchbruch scheiterte bislang an Effizienz, Kosten und Skalierbarkeit bei der Herstellung. Forschende vom Fraunhofer IKTS haben einen Hochtemperaturelektrolyse-Stack entwickelt, der weltweit neue Maßstäbe setzen soll.

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.

Das Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS in Dresden verfolgt 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-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 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, elektrochemische, 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 Mosch weiter.

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

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. „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 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 industrielle Nutzung von Strom und Abwärme unter anderem für die hocheffiziente Herstellung von grünem Wasserstoff. Damit leistet das Team des Fraunhofer IKTS laut eigener Aussage einen direkten Beitrag zur globalen Energiewende und stärkt zugleich die Wettbewerbsfähigkeit des Standorts Deutschland.