Die Technische Universität Chemnitz ist Teil eines innovativen Verbundprojekts zur Entwicklung von Technologien für die Wasserelektrolyse, das unter dem Titel „Fluorine-free water electrolysis development (FFWD)“ läuft. Gefördert vom Bundesministerium für Bildung und Forschung, bringt dieses Projekt mehrere bedeutende Partner zusammen, darunter die Universität Freiburg, die Université de Lorraine, das Start-up ionysis und der Elektrolyseur-Hersteller Elogen. Das Hauptziel ist die Entwicklung fluorfreier saurer Polymermembranen für großskalige Elektrolyseure, die in der Energiegewinnung eine Schlüsselrolle spielen.
Aktuelle Elektrolyseure basieren typischerweise auf Nafion, einem Material, das zu den poly- und perfluorierten aliphatischen Substanzen (PFAS) gehört. Diese Substanzen sind umweltbelastend, da sie sehr stabil sind und sich in der Umwelt anreichern. Angesichts geplanter Regulierungen wird die Notwendigkeit, fluorfreie Alternativen zu entwickeln, immer dringlicher. Prof. Dr. Michael Sommer von der Technischen Universität Chemnitz hebt die Herausforderungen hervor, welche die Entwicklung neuer Materialien mit vergleichbaren Eigenschaften mit sich bringt.
Entwicklung innovativer Membranen
Das Projekt „H2Giga-Projekt Fluorfreie-MEA“ verfolgt das Ziel, kostengünstige fluorfreie Membran-Elektroden-Einheiten (MEAs) für die Wasserelektrolyse zu entwickeln. Zu den Kooperationspartnern gehören die Fumatech BWT GmbH sowie die Universität Freiburg. Die Technologie basiert auf der Verwendung von Polymeren, und das Projekt hat eine zentrale Bedeutung für die Herstellung von grünem Wasserstoff.
Übliche Membranmaterialien bestehen aus Perfluorsulfonsäuren, die zwar hohe Stabilität bieten, jedoch mit Nachteilen wie einer hohen Gaspermeabilität und den damit verbundenen Umweltbelastungen behaftet sind. Neuartige Membranmaterialien auf Basis fluorfreier Kohlenwasserstoffe versprechen hier Vorteile: Dazu zählen unter anderem eine höhere Stabilität bei Temperaturen über 80 °C, geringere Gaspermeabilität sowie eine umweltfreundlichere und potenziell kostengünstigere Herstellung. Ziel ist die Entwicklung leistungsfähiger MEAs mithilfe skalierbarer Technologien.
Nutzung nachhaltiger Wasserstofftechnologien
Die Erzeugung von nachhaltigem Wasserstoff ist ein wesentlicher Baustein der Energiewende. Elektrolyseverfahren zerlegen Wasser in Wasserstoff (H₂) und Sauerstoff (O₂) und benötigen dafür elektrischen Strom, vorzugsweise aus erneuerbaren Quellen für die Erzeugung von grünem Wasserstoff. Zu den verschiedenen Elektrolyse-Technologien gehören die alkalische Elektrolyse, die PEM-Elektrolyse, die alkalische Membran-Elektrolyse und die Hochtemperatur-Elektrolyse.
Die PEM-Elektrolyse ist besonders dynamisch und weist eine hohe Stromdichte sowie kompakte Bauweisen auf, erfordert jedoch robuste Materialien und teure Edelmetalle. Zur Effizienzsteigerung der Elektrolysetechnologien bis 2050 wird eine Verbesserung um 12 % angestrebt. Die Anionenaustauschmembran-Elektrolyse (AEMEL) gilt als vielversprechende Technologie, die geringere Materialkritikalität und Skalierungsmöglichkeiten bietet.
Zusammenfassend zeigt sich, dass die Entwicklungen im Bereich der fluorfreien Membranmaterialien nicht nur umweltfreundlicher sind, sondern auch grundlegend für die Transformation zu einem nachhaltigen Energiesystem. Mit Projekten wie FFWD und H2Giga wird ein bedeutender Schritt in Richtung einer effizienten und umweltverträglichen Wasserstoffproduktion unternommen. Deutschland zielt darauf ab, bis 2030 eine Elektrolysekapazität von 44 GW zu erreichen, was die Priorität unterstreicht, innovative Ansätze zur Wasserstofferzeugung zu entwickeln und umzusetzen.
