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Stofflicher Speicher
BMBF
Meerwasser-Elektrolyse 10.4.2017

Die Abbildung zeigt eine elektrochemische Messzelle mit rotierender Scheiben-Elektrode.
© Sören Dresp

Wasserstoff aus dem Meer

Wissenschaftler der Berliner Technischen Universität und der Freien Universität erforschen Katalysatorsysteme für die Wasserstoff-Elektrolyse direkt aus Meerwasser. Die edelmetallfreien Katalysatoren ermöglichen - auch an Standorten mit Frischwassermangel - regenerative Energie in Form von Wasserstoff zu speichern. Zudem sollen sie kostengünstig herstellbar sein. In Kombination mit Brennstoffzellen könnten sie elektrische Energie und gleichzeitig Frischwasser zur Verfügung stellen.

Projektstatus Projekt abgeschlossen
Speichereffekt Reversible chemische Reaktion: Wasser wird reversibel in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten. Die Elemente Sauerstoff und Wasserstoff können in der Umkehrreaktion unter der Abgabe von Elektrizität in Wasser Umgewandelt werden. H2O --> 1/2 O2 + H2
Projektlaufzeit August 2013 bis Dezember 2016

Herkömmliche Elektrolyseure zur Wasserstoffgewinnung sind heute im Allgemeinen dort installiert, wo kostengünstige erneuerbare Elektrizität - oft aus Wasserkraftwerken - verfügbar ist. Dort ist kein Mangel an Frischwasser. Zunehmend finden sich jedoch regenerative Kraftwerke auf dem Meer oder in süßwasserarmen Gebieten. Dort kann Meerwasser-Elektrolyse Speichermöglichkeiten schaffen. In Kombination mit Brennstoffzellen wäre es möglich nicht nur elektrische Energie, sondern gleichzeitig auch Frischwasser zu produzieren.

  • Wissenschaftlicher Mitarbeiter mit Probe nach solvothermaler Autoklav-Synthese © Sören Dresp
  • Synchrotron-Strahlungsmesseinrichtung © Sören Dresp
  • Probenhalter in flüssigem Stickstoff zur Probenpräparation für die Synchrotron-Strahlungsmessung und Feinstruktur-Analyse © Sören Dresp
  • Aktivitätsmessung an einer Rotationsscheibenelektrode © Sören Dresp
  • Die Abbildung zeigt eine elektrochemische Messzelle mit rotierender Scheiben-Elektrode. © Sören Dresp
  • Selektionsmessung mit in-situ Massenspektrometer © Sören Dresp
  • Heißpresse zur Herstellung von Membran-Elektroden-Einheiten (MEA) © Sören Dresp
  • Zusammenbau eines Membran-Elektrolyseurs © Sören Dresp
  • Erste Prototyptestung eines Membran basierten Elektrolyseurs © Sören Dresp
  • Thermogravimetrie-Gerät mit gekoppeltem Gaschromatographen © Sören Dresp

Dieses Projekt erforscht kosteneffiziente, da edelmetallfreie, Katalysatorsysteme zur chemisch-stofflichen Speicherung von erneuerbarer Elektrizität in Form von Wasserstoff durch direkte Meerwasserelektrolyse. Solchen Elektrolyseuren wird eine große zukünftige Bedeutung bei der integrierten Erzeugung und Speicherung von Elektrizität in (Offshore-)Windparks oder solarthermischen Kraftwerken beigemessen. In Kombination mit Brennstoffzellen können solche Speichersysteme elektrische Energie und gleichzeitig Frischwasser zur Verfügung stellen, was für bestimme Regionen oder Anwendungen von großer Bedeutung sein kann.

Strukturelle Eigenschaften von Katalysator-Systemen entschlüsseln

Innerhalb von drei Jahren wollen Forscher der Technischen Universität Berlingemeinsam mit Wissenschaftlern der Freien Universität Berlin neue geeignete Katalysator-Systeme identifizieren. Dabei wollen sie die maßgebenden strukturellen Eigenschaften entschlüsseln. Da erneuerbare Energien mit starken Energie-Fluktuationen behaftet sind, steht zusätzlich die Stabilität bei starken Lastwechseln im Fokus.

Edelmetallfreie Elektrokatalysatoren sind die Voraussetzung für kosteneffiziente, skalierbare, Membranelektrolysetechnologien. Sie bieten drei bahnbrechende Neuheiten und Alleinstellungsmerkmale, die für eine elektrolytische Speicherung von elektrischer Energie im großen Maßstab entscheidend sind. Die Nachhaltigkeit der Katalysatormaterialien, die Verwendung von Rohmeerwasser als Reaktant und die milden Bedingungen bei neutralen pH-Werten.

Das Projekt befindet sich in der ersten von vier Phasen. Die erste Phase beschäftigt sich mit der Präparation neuartiger Katalysatormaterialien zur direkten elektrochemischen Spaltung von Meerwasser mit Hilfe von regenerativem Strom. An diesen neuen Materialien werden in der zweiten Phase physikochemische Untersuchungen vorgenommen um ihre chemische Struktur und ihre genaue Zusammensetzung zu verstehen. In der dritten Phase werden diese Materialien in Leistungstests auf ihre Speicher-Effizienz hin geprüft. Bis zum Winter 2014 soll der erste Meilenstein erreicht werden und eine kleine Anzahl passender Katalysatorsysteme identifiziert werden. Im Verlauf des dritten Jahres werden die verbliebenden Katalysatorsysteme starken Lastwechseln unterworfen werden und das mit der besten Stabilität selektiert. Mit Hilfe der so selektierten Katalysatoren wird anschließend eine Implementierung in eine reale Membran-Elektrolysezelle vorgenommen und die Leistungsfähigkeit dieses Meerwasser-Elektrolyseurs untersucht.

Nach Abschluss der Arbeiten streben die Forscher anwendungsorientierte Anschlussprojekte an. Sie wollen die Ergebnisse in Zusammenarbeit mit industriellen Herstellern von Membran-Elektroden verwerten. Ziel ist der Einsatz der Katalysatoren in marktfähigen, flexiblen Elektrolyseuren.

Teilvorhaben

Nass-chemische Fällung
Das Teilvorhaben der Technischen Universität Berlin baut auf der Präparation neuer Materialien mit Hilfe von nasschemischen Fällungsmethoden auf. Diese werden elektrochemischen Aktivitätstests unterzogen. Darauf aufbauend sollen Selektivitätstests zur Meerwasserspaltung unternommen werden. Mit Hilfe von Elementar-Analytiken  und Röntgen-Diffraktommetrie (XRD) und Photoelektronen-Spektroskopie (XPS) soll es möglich werden, diese mit den elektrochemischen Daten zu korrelieren. Diese Materiealien werden ferner starken Lastwechseln ausgesetzt und auf Flexibilität und Stabilität getestet. Abschließend sollen die neuen selektierten Materialien in einer membranbasierte Elektrolysezelle implementiert und getestet werden.

Elektrochemische Deposition
Das Teilvorhaben der Freien Universität Berlin bezieht sich auf die Präparation neuer Materialien mit Hilfe von elektrochemischen Depositionsverfahren. Diese werden elektrochemischen Aktvitätstestungen unterzogen. Weitere Stabilitätstestung und Exploration von Selbstreparaturmechanismen sollen mit Hilfe von elektrochemischen Röntgenfluoreszenz-Analyse (EC/XRF) „on line“ gemessen werden. Weitere Röntgenspektroskopie-Methoden zur Analyse der Feinstruktur der neuen Materialien sollen eine Analyse von Degradationsprozessen durch die atomare Strukturanalyse ermöglichen.

Gefördert durch die Bundesregierung aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages

Termine

29. November 2017
RENEXPO® PV & StromSpeicher

5. Dezember 2017
Intersolar India

24. Januar 2018
6. Batterieforum Deutschland

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Projektadressen

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Forschungsförderung

Das Informationssystem EnArgus bietet Angaben zur Forschungsförderung, so auch zu diesem Projekt.