Leitprojekt H2Giga Wasserstoff-Gewinnung im großen Stil

Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Thomas Kuther

Grüner Wasserstoff, der mit Energie aus regenerativen Quellen erzeugt wird, ist einer der wichtigsten Energieträger der Energiewende. Um die Wasserstoffwirtschaft zu unterstützen, hat das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) mehrere Wasserstoff-Leitprojekte aufgelegt.

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An metallischen Netzen wird Wasser elektrochemisch zu Wasserstoff und Sauerstoff gespalten, welche als Gasblasen entweichen.
An metallischen Netzen wird Wasser elektrochemisch zu Wasserstoff und Sauerstoff gespalten, welche als Gasblasen entweichen.
(Bild: Katrin Binner)

Vier Teams der TU Darmstadt sind am Leitprojekt H2Giga beteiligt und bringen ihre Expertise ein, um die Technik für die Erzeugung von Wasserstoff im großen Maßstab zu entwickeln. Die Forschenden an der TU sollen mit vier Forschungsgruppen und einer Gesamtfördersumme von rund 2,9 Mio. € im H2Giga-Projekt „PrometH2eus“ vertreten sein. Sie arbeiten so im Rahmen des übergeordneten Leitprojekts daran mit, neuartige und effizientere Elektrolyseure zur Wasserstoff-Herstellung mittels erneuerbarer Energie in die Serienfertigung zu bringen.

Diese Vorrichtungen zur Spaltung von Wasser in seine elementaren Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff sollen robust und skalierbar sein, modular an ihren jeweiligen Einsatzort angepasst werden können und vor allem: Wasserstoff im industriellen Maßstab erzeugen.

Fünf Gigawatt Elektrolyse-Kapazität bis 2030

Das Ziel der „Nationalen Wasserstoffstrategie“ ist es, bis 2030 fünf Gigawatt Elektrolyse-Kapazität aufzubauen. Dem H2Giga-Projekt PrometH2eus kommt dabei eine wichtige Rolle zu. Hauptaufgabe ist die anwendungsorientierte Katalysator- und Elektrodenentwicklung für die alkalische Wasserelektrolyse. Bisher werden Katalysatormaterialien meist nur im Labormaßstab entwickelt und unter Bedingungen getestet, die eine direkte Hochskalierung auf die industrielle Anwendung nicht erlauben.

PrometH2eus verbindet Grundlagen- und Anwendungsforschung. Bei der Synthese, Beurteilung und Optimierung neuer Materialien werden nicht nur wichtige grundlegende Erkenntnisse gewonnen, sondern die technische Machbarkeit wird direkt mitgedacht.

„Die Zerlegung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff ist ein ganz wichtiger Schritt für einen modernen Energiekreislauf. Die TU Darmstadt zeigt mit diesen vier Forschungsvorhaben Kompetenz und Willen, Lösungen für eine verlässliche und nachhaltige Energieversorgung der nahen Zukunft zu liefern“, erklärt Professorin Barbara Albert, Vizepräsidentin für Forschung und wissenschaftlichen Nachwuchs an der TU Darmstadt.

Untersuchungen der Elektroden

Eine Forschungsgruppe unter der Leitung von Professor Jan Philipp Hofmann (Fachgebiet Oberflächenforschung, Fachbereich Material- und Geowissenschaften) befasst sich mit der Energetik, Struktur und Chemie der inneren und äußeren Grenzflächen Sauerstoff entwickelnder Elektroden. Diese Kontaktflächen verbinden einerseits den metallischen Stromableiter mit dem in der Elektrolyse aktiven Katalysatormaterial (innere Grenzfläche) und andererseits den Elektrokatalysator mit dem alkalischen Elektrolyten (äußere Grenzfläche).

Im besonderen Fokus der Untersuchungen stehen dabei die elektronische und die chemische Struktur der Grenzflächen, da hier die kritischen Ladungstransferprozesse sowie die Redoxreaktionen für die Elektrolyse ablaufen. Die Forschenden wollen insbesondere herausfinden, welche dieser Prozesse an den Grenzflächen die Stabilität und die Effizienz der Elektrolyse einschränken, so dass im zweiten Schritt gemeinsam mit den Konsortiumspartnern der Aufbau und die Funktion der Komponenten auch im Hinblick auf die industrielle Anwendung optimiert werden können.

Nickelelektroden sollen verbessert werden

Eine weitere Forschungsgruppe unter Leitung von Professor Bastian J. M. Etzold (Fachgebiet Technische Chemie 1, Fachbereich Chemie) erforscht die Möglichkeiten, die bisherigen sehr einfach strukturierten Nickelelektroden vor allem in der Geometrie zu verbessern. Komplexere Netzstrukturen sollen es erlauben, die sich bei der Elektrolyse bildenden Gasblasen schneller abzutransportieren, so dass die Produktivität und Effizienz des Elektrolyseurs gesteigert werden können. Hierfür wird Nickel auf komplexere Metallnetze abgeschieden und der Vorteil solcher beschichteter 3D-Netze unter technischen Bedingungen demonstriert. Der Teststand, der hier aufgebaut wird, ist gleichzeitig die Plattform für ein weiteres Teilprojekt, das von Professor Andreas Dreizler geleitet wird.

Hintergrund: Grüner Wasserstoff Grüner Wasserstoff ist ein Energieträger, der aus Wasser durch Elektrolyse, also die Aufspaltung in Wasserstoff und Sauerstoff, gewonnen wird. Die nötige Energie stammt aus regenerativen Quellen wie Wind- oder Solarkraft, damit ist Grüner Wasserstoff CO₂-frei und klimaneutral. Grüner Wasserstoff ist eine Sekundärenergieträger. Erzeugung und Verbrauch sind zeitlich und räumlich nicht mehr aneinander gekoppelt, der Energieträger Wasserstoff kann also zum Beispiel gespeichert oder transportiert werden.

Vorgänge an den Elektroden eines Elektrolyseurs

Das Team um Professor Andreas Dreizler (Fachgebiet Reaktive Strömungen und Messtechnik, Fachbereich Maschinenbau) nimmt in seiner Forschungsgruppe die Vorgänge an den Elektroden eines Elektrolyseurs in den Blick. Wenn hier Strom angelegt wird, bilden sich Gasblasen, lösen sich und müssen abtransportiert werden. Die Forschenden werden diese Mehrphasentransportprozesse experimentell erforschen, um sie zu optimieren und um Computersimulationen aus der Forschungsgruppe von Dr.-Ing. Holger Marschall überprüfen zu können. Zudem sollen fortschrittliche optische Messmethoden zur in-operando-Untersuchung von Blasenbildung und Blasendynamik in elektrochemischen Systemen demonstriert werden.

Über die Wasserstoff-Leitprojekte Die Wasserstoff-Leitprojekte bilden die bisher größte Forschungsinitiative des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) zum Thema Energiewende. In den industriegeführten Leitprojekten entwickeln Wirtschaft und Wissenschaft gemeinsam Lösungen für die deutsche Wasserstoffwirtschaft: Serienfertigung von großskaligen Elektrolyseuren (H2Giga), Erzeugung von Wasserstoff auf See (H2Mare), Technologien für den Transport von Wasserstoff (TransHyDE).
Die BMBF-geförderten Wasserstoff-Leitprojekte sind das Ergebnis eines Ideenwettbewerbs: Wissenschaft, Wirtschaft und Zivilgesellschaft waren eingeladen, Ideen zu Wasserstoff-Großprojekten einzureichen. Über 240 Partner haben sich so zusammengefunden und sollen mit insgesamt etwa 740 Millionen Euro gefördert werden. Im Frühjahr sind die Projekte auf Basis unverbindlicher Förder-Inaussichtstellungen gestartet. Die Leitprojekte werden über eine Laufzeit von vier Jahren gefördert. Weitere Informationen unter
www.wasserstoff-leitprojekte.de

Entwicklung eines digitalen Zwillings

Die Forschungsgruppe Computational Multiphase Flow unter Leitung von Dr.-Ing. Holger Marschall (Fachgebiet Mathematische Modellierung und Analysis, Fachbereich Mathematik) entwickelt den digitalen Zwilling zu den Experimenten der Forschungsgruppe von Professor Andreas Dreizler. Durch komplementäre Fragestellungen, abgestimmte hochauflösende Experimente und hochgenaue Computersimulationen lässt sich das Zusammenspiel der lokalen Teilprozesse und Effekte, die das Ablösen der Gasblasen an den Elektroden beeinflussen, im Detail aufklären. Vom Ablöseverhalten der Blasen hängt wiederum die Leistung eines Elektrolyseurs ab. Es soll gezeigt werden, wie sich die Ergebnisse später auf Elektrolyse-Anlagen im Realmaßstab übertragen lassen.

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