Wegweisendes Verfahren zur Elektrolyse von Wasserstoff

Pajarito Powder hat auf der Hannover Messe 2024 eine wegweisende Katalysator-Technologie vorgestellt, welche die Kostenkalkulation für Brennstoffzellen und Elektrolyse von Wasserstoff dramatisch verändert. Das innovative Verfahren reduziert die Menge an Edelmetallen, die für Reaktionen zur Erzeugung von Energie aus Grünem Wasserstoff benötigt werden, um bis zu 70 %. Zur Umsetzung des Varipore-Verfahrens werden Fertigungsexperten an Bord geholt, um eine Großserienfertigung in New Mexico aufzubauen.

Inhalt

• Energiegewinnung aus Wasserstoff soll erschwinglich werden
  • Deutlich weniger Platin
  • Elektrolyseure sind der Schlüssel
  • Neue Materialtechnik macht Wasserstoff wirtschaftlich
• Verzicht auf seltene Metalle eröffnet neues Marktpotential

Energiegewinnung aus Wasserstoff soll erschwinglich werden

Das Start-up Pajarito Powder hat sich zum Ziel gesetzt, die Energiegewinnung aus Wasserstoff erschwinglich, zuverlässig und tauglich zur Volumenproduktion zu machen, indem es mit seinem innovativen Materialdesign die grundsätzliche Kostenkalkulation für die Energiegewinnung aus Wasserstoff verändert.

Deutlich weniger Platin

Mit der neuen Verfahrenstechnik können Wasserstoff-Brennstoffzellen und Elektrolyseur-Katalysatoren mit deutlich weniger von dem seltenen und teuren Platin bei gleicher Leistung betrieben werden. „Reduziert man Iridium, verbessert sich Wirtschaftlichkeit der Wasserstoffherstellung drastisch und infolge wird die Verfügbarkeit von Wasserstoff wesentlich verbessert“, erläutert Thomas J. Stephenson, CEO & Vorstandsvorsitzender von Pajarito Powder. Das Verfahren reduziert die Menge an Edelmetallen, die für Reaktionen zur Erzeugung von Energie aus Wasserstoff benötigt werden, um bis zu 70 %.

Elektrolyseure sind der Schlüssel

Die sauberste Methode zur Erzeugung von Wasserstoff für den nachhaltigen Einsatz in Brennstoffzellen, ist die Elektrolyse. Diese nutzt elekrische Energie zur Aufspaltung von Wasser in seine beiden Bestandteile. Elektrolyseure sind die am besten bekannte Methode zur Erzeugung von "Grünem Wasserstoff". Gleichzeitig sind sie der Schlüssel zur Nutzung des Wasserstoffes als Energiespeicher und zum Energietransport über lange Strecken.

Da stellt sich die Frage, warum sich Wasserstoff-Brennstoffzellen und Elektrolyseure in Anbetracht all dieser Vorteile und all der wissenschaftlichen Studien noch nicht in der Weltwirtschaft durchgesetzt haben. Der Schlüssel liegt im Katalysator, auf dessen Herstellung, Verbesserung und Erschwinglichkeit sich nun Pajarito Powder spezialisiert hat. Katalysatoren machen fast 40 % der Kosten eines Brennstoffzellen Stapels aus. Die Kosten für die Iridiumkomponenten eines 1-GW-Elektrolyseurs würden sich bei Preisen aus dem Jahr 2022 auf über 61 Mio. US-Dollar belaufen.

Vielleicht ist es diese Ironie, dass Wasserstoff das am häufigsten vorkommende Element ist, jedoch die zur Umwandlung in nützliche Elektrizität benötigten Platinmetalle, wie Iridium, zu denen am wenigsten vorkommenden Elementen gehören. Ihre Seltenheit und ihre damit verbundenen hohen Preise verhindern bislang, dass der so geeignete Wasserstoff zu einer wichtigen Energiequelle wird, zumindest bis jetzt.

Neue Materialtechnik macht Wasserstoff wirtschaftlich

Mit einer neuen Verfahrenstechnik schafft es das US Start-up, Wasserstoff-Brennstoffzellen und Elektrolyseur-Katalysatoren bei gleicher Leistungsfähigkeit mit deutlich weniger Einsatz von dem seltenen und teuren Material Platin zu betreiben. Das Verfahren kommt mit bis zu 70 % weniger Edelmetallen aus, die für Reaktionen zur Erzeugung von Energie aus Wasserstoff benötigt werden.

Für Brennstoffzellen kommt das Verfahren Varipore zum Einsatz. Damit lassen sich technische Katalysatorträger (Engineered Catalyst Supports, ECS) herstellen, welche auf Mechanismen basieren, die auf ein bestimmtes System zugeschnitten sind und die Leistung und Nutzung von PGMs verbessern.

Diese Strukturen sind mesoporös. Sie sind so konzipiert, dass sie extrem kleine nanoskopische Öffnungen enthalten, die zwischen 2 und 50 nm klein und vergleichbar der Größe eines menschlichen DNA-Strangs entsprechen.

Das Varipore ermöglicht ein sehr spezifisches Design. Als Voraussetzung für den Beginn der Herstellung von Brennstoffzellen in Großserie, wurde dieses Verfahren für die Massenherstellung dieses Trägers weiterentwickelt. Die Katalysatoren werden mit weniger Platin als Standardkatalysatoren energetisch gleichwertige Ergebnisse erzielen.

Darüber hinaus verleiht das Verfahren den Katalysatoren eine hohe Haltbarkeit, Stabilität und Leistung. Nach diesem Verfahren stellt Pajarito Powder fortschrittliche Elektrolyseur-Katalysatoren her, die auf ähnlichen Konzepten beruhen, aber anstelle von Iridium andere Materialien verwendet.

Verzicht auf seltene Metalle eröffnet neues Marktpotential

Die Elektrolyse-Technologie verändert sich rasch, und während Katalysatoren auf Basis von Iridium den Markt noch einige Zeit dominieren werden, wird Pajarito Powder demnächst weitere hocheffiziente Katalysatoren für die Wasserelektrolyse unter Verwendung von PGM-lite- oder PGM-freien Materialien herstellen. Diese in der Entwicklung befindlichen Materialien sind schon heute zur Bewertung verfügbar.

Die von Pajarito Powder entwickelten Katalysatorträger und vollständigen Katalysator-Lösungen sind alle bereits verfügbar. Das Unternehmen erforscht, testet und optimiert zudem Katalysatoren, die ohne Platingruppenmetalle auskommen. Die sogenannten PMF-Katalysatoren (Precious-Metal-Free) für Brennstoffzellen sind die weltweit ersten kommerziell erhältlichen Katalysatoren, die ohne Edelmetalle auskommen. Die Arbeiten, mit denen diese Katalysatoren auch für Anwendungen mit hoher Energiedichte weiterentwickelt werden, sind noch nicht abgeschlossen, aber ihr künftiger Einsatz ist vielversprechend.

Angesichts der neuen technischen Möglichkeiten und der öffentlichen Mittel für saubere Energiequellen, die durch den U.S. Inflation Reduction Act und ähnliche Gesetze in Europa und anderswo zur Verfügung gestellt werden, präsentierte Pajarito Powder auf der Hannover Messe 2024 neben seinem innovativen Trägermaterial auch die Inbetriebnahme seiner großtechnischen Fertigungsanlage in New Mexico zur Herstellung des Beschichtungsmaterials für Katalysatoren.

Häufig gestellte Fragen

Wie wird Wasserstoff durch Elektrolyse hergestellt?

Die Elektrolyse ist ein Verfahren zur Wasserstoffherstellung, bei dem Wasser durch elektische Energie in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten wird. In einer Elektrolysezelle, die aus einer Anode und einer Kathode besteht, wird elektrische Spannung angelegt. An der Anode entsteht Sauerstoff und an der Kathode Wasserstoff. Dieses Verfahren erfolgt ohne die Freisetzung von CO₂ und ermöglicht die Produktion von grünem Wasserstoff, besonders wenn die Energie aus erneuerbaren Quellen stammt. Je nach eingesetzter Technologie (Alkalische Elektrolyse, PEM-Elektrolyse oder Festoxid-Elektrolyse) variieren Effizienz und Anwendungsmöglichkeiten.

Wie effizient ist Wasserstoff Elektrolyse?

Die Effizienz der Wasserstoff-Elektrolyse hängt von der eingesetzten Technologie ab und variiert typischerweise zwischen 60 % und 80 %. Diese Effizienz gibt an, wie viel der eingesetzten elektrischen Energie in chemische Energie in Form von Wasserstoff umgewandelt wird. Die Elektrolyse als eine der vielversprechendsten Methoden zur Herstellung von Grünem Wasserstoff, insbesondere wenn sie mit Erneuerbaren Energien betrieben wird. 

1. Alkalische Elektrolyse (AEL): Diese traditionelle Methode erreicht eine Effizienz von etwa 60 % bis 70 %. Sie ist technologisch ausgereift und eignet sich für kontinuierliche Anwendungen, da sie relativ kostengünstig ist.
2. Protonen-Austausch-Membran-Elektrolyse (PEM): Diese fortschrittlichere Technologie bietet eine höhere Effizienz von 70 % bis 80 %. Sie kann schnell auf wechselnde Energiequellen reagieren, was sie ideal für den Einsatz mit erneuerbaren Energien macht.
3. Festoxid-Elektrolyse (SOEC): Dieses Verfahren erreicht Effizienzen von über 80 %, insbesondere wenn es in Kombination mit Hochtemperatur-Elektrolyse eingesetzt wird. Es ist besonders effizient, wenn Abwärme genutzt werden kann, was die Gesamtenergieeffizienz signifikant steigert.

Wie viel Wasser braucht man für 1 kg Wasserstoff?

Um 1 kg Wasserstoff durch Elektrolyse herzustellen, benötigt man etwa 9 l Wasser. Dieser Wasserverbrauch ergibt sich aus der chemischen Reaktion, bei der Wasser (H₂O) in Wasserstoff (H₂) und Sauerstoff (O₂) aufgespalten wird. Für jede Menge Wasserstoff sind also proportional 9 Mal mehr Wasser erforderlich. Diese Berechnung basiert auf der chemischen Formel der Wasserelektrolyse, bei der 18 Gramm Wasser (entspricht etwa 18 ml) in 2 g Wasserstoff und 16 g Sauerstoff zerlegt werden. Hochgerechnet ergibt das 9 l Wasser für 1 kg Wasserstoff.

Wie viel Strom braucht man um Wasserstoff zu erzeugen?

Zur Erzeugung von 1 kg Wasserstoff durch Elektrolyse benötigt man etwa 50 bis 55 kWh Strom. Diese Energie ist erforderlich, um das Wasser in seine Bestandteile, H 2 und O 2, zu zerlegen. Die genaue Menge hängt von der Effizienz des Elektrolyseverfahrens ab, die typischerweise zwischen 60 % und 80 % liegt.

Bei modernen Elektrolyseanlagen kann die Energieeffizienz durch fortschrittliche Technologien und den Einsatz von Abwärme weiter gesteigert werden, was den Strombedarf geringfügig reduzieren könnte.

Wie effektiv ist Elektrolyse?

Die Effektivität vom Elektrolyseverfahren wird durch ihre Energieeffizienz bestimmt, die typischerweise zwischen 60 % und 80 % liegt. Dies bedeutet, dass 60 % bis 80 % der eingesetzten elektrischen in chemische Energien in Form von Wasserstoff umgewandelt werden. Moderne Technologien wie die Protonen-Austausch-Membran (PEM)-Elektrolyse und die Alkalische Elektrolyse können diese Effizienz je nach System und Betriebspunkt weiter optimieren. Im industriellen Maßstab wird kontinuierlich an der Verbesserung der Effizienz gearbeitet, um die Wasserstofferzeugung kosteneffizienter und umweltfreundlicher zu gestalten.

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