Chemnitzer Uni revolutioniert Wasserstoffproduktion mit fluorfreien Membranen!

Chemnitz, Deutschland - Die Technische Universität Chemnitz ist an einem bedeutenden Verbundprojekt zur Wasserelektrolyse beteiligt, das als „Fluorine-free water electrolysis development (FFWD)“ bekannt ist. Dieses Projekt wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert und hat das Ziel, fluorfreie saure Polymermembranen für großskalige Elektrolyseure zu entwickeln. Die Projektleitung liegt bei der Universität Freiburg, und die Partner umfassen die Université de Lorraine, das Start-up ionysis sowie den Elektrolyseur-Hersteller Elogen. Aktuelle Elektrolyseure basieren häufig auf dem Membranmaterial Nafion, das zur Gruppe der poly- und perfluorierten aliphatischen Substanzen (PFAS) gehört und aufgrund seiner Umweltbelastung und der persistierenden Eigenschaften stark in der Kritik steht. Prof. Dr. Michael Sommer von der TU Chemnitz hebt die Herausforderungen bei der Entwicklung fluorfreier Materialien hervor, die dennoch die erforderlichen Eigenschaften aufweisen müssen.

Zu den Anforderungen an die neuen Polymermembranen zählen nicht nur mechanische und ionenleitende Eigenschaften, sondern auch die langfristige Stabilität und eine wirtschaftliche Produktion. Die Forschung wird sich zu Beginn auf die Struktur-Eigenschafts-Beziehungen konzentrieren, bevor spezifische Eigenschaften optimiert werden. Dies könnte einen entscheidenden Beitrag zur Reduzierung der Umweltbelastungen aus der Elektrolyse-Technologie leisten und gleichzeitig den Forderungen nach umweltfreundlichen Alternativen gerecht werden.

Fluorfreie Membransysteme in der Wasserstoffproduktion

Im Rahmen eines weiteren Projekts, dem H2Giga-Projekt Fluorfreie-MEA, werden kostenwirksame fluorfreie Membran-Elektroden-Einheiten (MEAs) für die Wasserelektrolyse entwickelt. Diese Technologie ist zentral für die Herstellung von grünem Wasserstoff, der durch die Zerlegung von Wasser mittels elektrischem Strom aus erneuerbaren Quellen erzeugt wird. Vorherrschende Membranmaterialien basieren auf Perfluorsulfonsäuren, die zwar hohe Stabilität bieten, jedoch auch umweltschädliche Fluorchemie involvieren.

Die neuesten Ansätze zielen darauf ab, Membranmaterialien auf der Basis fluorfreier Kohlenwasserstoffe zu entwickeln, die Vorteile wie geringere Gaspermeabilität und höhere Stabilität bei Temperaturen über 80 °C bieten. Solche Innovationen könnten nicht nur kostengünstigere und umweltfreundlichere Produktionsmethoden ermöglichen, sondern auch entscheidend zur Erreichung der Klimaziele beitragen. Das Projekt erstreckt sich von April 2021 bis März 2025 und wird vom Projektträger Jülich unterstützt.

Technologien zur Wasserstoffgewinnung

Die elektrochemische Wasserelektrolyse zerlegt Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff und spielt eine zentrale Rolle in der Energiewende. Deutschland hat ehrgeizige Ziele formuliert, die bis 2030 eine Elektrolysekapazität von 44 GW und bis 2050 sogar 213 GW vorsehen. Die Erzeugung von grünem Wasserstoff ist hierbei ein zentraler Baustein, da dieser Wasserstoff aus erneuerbaren Energiequellen gewonnen wird. Neben der herkömmlichen alkalischen Elektrolyse gewinnt auch die PEM-Elektrolyse zunehmend an Bedeutung, da sie eine hohe Stromdichte und kompakte Bauweise bietet.

Die Forschung zeigt, dass der Bedarf an Wasserstoff in Deutschland bis 2030 auf 78 TWh und bis 2050 auf 294 TWh ansteigen wird. Um diese Ziele zu erreichen, ist eine Effizienzsteigerung der Elektrolysetechnologien um 12 % bis 2050 erforderlich. Technologien wie die Anionenaustauschmembran-Elektrolyse (AEMEL) werden als vielversprechende Optionen angesehen, um diesen steigenden Anforderungen gerecht zu werden, da sie eine geringere Materialkritikalität aufweisen und die Skalierung erleichtern.

Insgesamt ist die Entwicklung fluorfreier Materialien für die Elektrolyse von großer Bedeutung, nicht nur um den ökologischen Fußabdruck der Wasserstoffproduktion zu minimieren, sondern auch um den Weg für eine nachhaltige Energiezukunft zu ebnen.