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Wasserstofferzeugung Der

Wasserstofferzeugung Der verborgene edle Schlüssel zum Wasserstoff Wie Wasserstoff und Edelmetalle zusammengehören Steffen Kitzing Heraeus Precious Metals unterstützt die Prozesskette der Wasserstoffökonomie auf vielfältige Weise: von der Produktion per Elektrolyse (1) über den Transport und die Speicherung (2), die industrielle Anwendung z.B. zur Herstellung alternativer Kraftstoffe (3) und die verkehrstechnische Nutzung als Energieträger für Brennstoffzellen (4) bis zum Edelmetall-Recycling (5). Im Zuge der Energiewende ist die Wasserstoffwirtschaft ein zentrales Element für die Verwirklichung nachhaltiger Energielösungen. Technologien wie Elektrolyseure und Brennstoffzellen spielen bei der Herstellung und Nutzung von Wasserstoff eine entscheidende Rolle, und viele der eingesetzten Technologien funktionieren effizienter mit Edelmetallen wie Platin und Iridium oder sind sogar auf sie angewiesen. In den Plänen zur Energiewende nimmt der Wasserstoff zwei wesentliche Rollen ein, einerseits als Energiespeicher für elektrische Energie und andererseits als chemischer Rohstoff für die so genannte Defossilisierung, also den Ersatz fossiler Rohstoffquellen in der Industrie. Bei letzterem werden aus CO 2 oder nachwachsenden Rohstoffen in einer Reaktion mit Wasserstoff die benötigten Kohlenwasserstoffe synthetisiert. Hierbei handelt es sich um die gleichen chemischen Verbindungen, aus denen auch fossile Brennstoffe und viele Materialien, z. B. Kunststoffe oder -fasern bestehen. Im Wasserstoffkreislauf laufen eine Vielzahl von elektrochemischen Reaktionen ab, in denen die Wasserstoffatome von anderen Atomen getrennt oder mit ihnen verbunden werden. In vielen dieser Reaktionen dienen Edelmetalle als Katalysator, d.h. die Prozesse funktionieren nur dann, wenn sie ein Katalysator in Gang setzt. Grund dafür sind die einzigartigen chemischen und elektrochemischen Eigenschaften von Edelmetallen. Sie wirken katalytisch, leitend und sind beständig gegen Korrosion. Edelmetalle sind ganz besondere Materialien und es braucht spezielles Know-how, um mit ihnen umzugehen. Als Spezialist für Edelmetalle beschäftigt Heraeus Precious Metals Experten verschiedenster Disziplinen, die für das Management von Edelmetallen gebraucht werden. Heraeus Precious Metals ist weltweit führend in der Edelmetallindustrie und hat eine eigene Business Line für die Unterstützung der Wasserstoffwirtschaft, die entsprechende Produkte inklusive aller zugehörigen Services und auch Edelmetallrecycling anbietet. Edelmetalle finden in allen Schritten der Wasserstoffwertstoffkette von der Produktion über die Speicherung und den Transport bis hin zum Verbrauch Anwendung. Für viele dieser Prozesse sind sie unverzichtbar. Wasserstoff und Edelmetalle gehören zusammen! Der Anfang der Kette: Die Produktion von Wasserstoff mit Hilfe von Elektrolyse Das beginnt bei der Produktion von Wasserstoff mit Elektrolyse: Mit Strom – idealerweise aus erneuerbaren Energien – erzeugen Katalysatoren Wasserstoff aus Wasser. Sie wandeln also elektrische Energie in chemische Energie um. Eine führende Technologie hierfür ist die PEM-Elektrolyse. Sie eignet 24 GREEN EFFICIENT TECHNOLOGIES 2024

Wasserstofferzeugung sich aufgrund kurzer Reaktionszeiten besonders gut für den Umgang mit schwankenden Strommengen aus erneuerbaren Quellen. Für die PEM- Elektrolyse wird die „Proton Exchange Membrane“ von der sie ihren Namen hat, mit Iridium und Platin beschichtet, die als Elektroden dienen und die Reaktion als Katalysatoren in Gang bringen. Für die PEM-Technologie sind Edelmetalle unverzichtbar, aber auch bei anderen Elektrolysearten, zum Beispiel der Alkali-Wasser- Elektro lyse erhöht Iridium als Additiv in der Elektrode den Wirkungsgrad. Abb. 1: Das so genannte Iridium black besteht aus dem massiven Metall. Durch Einsatz von Iridiumoxid werden schon weniger Iridiumatome für die gleiche Leistung benötigt. Eine erfolgreiche Wasserstoffstrategie ist auch eine Rohstoffstrategie Iridium und Platin sind also für die Elektrolyse unverzichtbar. Aber besonders Iridium ist selten – darum wird seit Start des Wasserstoffhochlaufs diskutiert, ob es in ausreichendem Maß verfügbar sein wird. Die EU hat mit dem „Critical Raw Material Act“ ein eigenes Framework für die Sicherstellung mit kritischen und strategischen Materialen, unter anderem für die Energiewende, aufgestellt, in der auch die Platinum Group Metals, also Edelmetalle aufgeführt sind. Für Platin selbst werden keine Engpässe erwartet, weil ein großer Anteil aus der Produktion heute in Abgaskatalysatoren von Verbrennungsmotoren eingesetzt wird. Iridium, das nur zusammen mit Platin gefördert werden kann, ist aber sehr viel seltener und hier liegt die Herausforderung. Glücklicherweise existieren auch hierfür bereits Lösungen. Der Schlüssel hierbei ist das “Thrifting” – das Erzielen derselben Leistung und Stabilität mit einer viel geringeren Menge an Iridium. Im Jahr werden ca. 8 bis 9 Tonnen Iridium gefördert, das ist an sich schon eine sehr kleine Menge, aber darüber hinaus wird dieses Material schon in anderen Anwendungen verwendet und benötigt, etwa in der Elektronikindustrie. Die Heraeus-Experten schätzen, dass nur etwa 1,5 Tonnen Iridium pro Jahr weltweit für die Wasserstoffwirtschaft zur Verfügung stehen werden. Abb. 2: Mit geträgerten und innovativen Lösungen unter Verwendung von stabilisiertem Ruthenium lassen sich sehr hohe Einsparungen für Iridium erreichen. Damit kann man mit heute üblichen Beladungen nur etwa 5 GW Elektrolysekapazität pro Jahr bauen – nicht genug, um die gesetzten Ziele der Politik zu erreichen. Zum Glück benötigen die neuesten Generationen von Heraeus-Katalysatoren schon heute nur noch ein Bruchteil dieser Beladungen. Damit könnten schon mehr als 15 GW pro Jahr gebaut werden und langfristig wollen die Forscher Lösungen entwickeln, bei denen 1,5 Tonnen für bis zu 50 GW genügen. Dabei gibt es mehrere Ansätze, wie man mit weniger Iridium auszukommen kann: Technologische Weiterentwicklung, “Thrifting” (Einsparen von Edelmetall bei gleicher Leistung) und Recycling von Edelmetallen. Wie funktioniert Thrifting? Ursprünglich wurden in Elektrolyseuren das pure Metall, das so genannte „Iridium black“ verwendet, das die 3 wesentlichen Leistungskriterien besonders gut erfüllt: Elektrische Leitfähigkeit, katalytische Aktivität und Langzeitstabilität. Der erste Schritt der Einsparung besteht darin, mit Iridiumoxid anstelle von Iridium zu arbeiten, das dem reinen Iridium in den drei Kriterien ähnelt. Damit lässt sich bereits etwa 20 % Iridium einsparen. Im zweiten Schritt wird Iridiumoxid auf einem Träger eingesetzt. Dabei wird nur die Oberfläche eines Partikels mit Iridiumoxid beschichtet und erfüllt die drei Kriterien. Diese Lösung hat das Potential, bis zu 90 % Iridium zu sparen. Die neueste Lösung, ein stabiler Rutheniumkomplex, wurde erst Ende des Jahres 2023 auf den Markt gebracht. Ruthenium ist katalytisch sogar noch aktiver und dank Iridium auch stabil genug. Auch dieses neue Material spart bis zu 90 % des Iridiums und stellt eine Alternative für Elektrolyseurdesigns dar, für die das geträgerte Material weniger geeignet ist. Nachbereitung und Aufreinigung des erzeugten Wasserstoffs Nach erfolgreicher Elektrolyse erfolgt die Reinigung der Gase. Die aus der Elektrolyse resultierenden Wasserstoff- und Sauerstoffströme enthalten immer auch geringe Mengen des jeweils anderen Gases, den so ge­ GREEN EFFICIENT TECHNOLOGIES 2024 25