Elektrolysetechnologien Von der Grundlagenforschung zur industriellen Anwendung
Warum markttaugliche Konzepte von Katalysatoren, Elektroden und Zellen noch Mangelware sind – und was sich ändern muss.
Mit ihrer Hilfe lässt sich grüner Wasserstoff herstellen und Kohlendioxid in Ausgangsstoffe für die chemische Industrie umwandeln: Elektrolysetechnologien sind im Rahmen von Klimaschutz, Energie- und Rohstoffwende verstärkt in den Fokus gerückt. Die Folge: eine Fülle von Katalysatorkandidaten, von denen allerdings bislang fast keiner das Stadium der Anwendbarkeit erreicht hat. Auch markttaugliche Konzepte für Elektroden und Zellen sind noch Mangelware. Woran das liegt, und was sich ändern muss, damit die Elektrolyse in die industrielle Anwendung kommt, haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Fraunhofer-Institute UMSICHT, ISE und ICT, der Universität Duisburg-Essen, der RUB, des Zentrums für BrennstoffzellenTechnik (ZBT) und der dänischen Firma IRD Fuel Cells beleuchtet. Ihre Ergebnisse haben sie in der Zeitschrift Journal of American Chemistry Au am 13. April 2021 online veröffentlicht.
Eine ihrer wichtigsten Erkenntnisse: Die Entwicklung von Elektrokatalysatoren ist ein Unterfangen, bei dem industrielle und wissenschaftliche Forschung eng zusammenarbeiten müssen. „Noch liegt zwischen diesen beiden Parteien ein tiefes, nahezu unüberwindbares Tal“, erklärt Prof. Dr. Ulf-Peter Apfel von Fraunhofer UMSICHT und RUB. „Diese Lücke entsteht vor allem durch eine Diskrepanz zwischen den in der Grundlagenforschung untersuchten und den unter industriell relevanten Bedingungen benötigten Parametern sowie durch eine fehlende Kommunikation zwischen den verschiedenen Interessengruppen.“
Kluft zwischen Forschung und Industrie überwinden
Wie das in der Praxis aussieht, zeigen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler unter anderem am Beispiel Katalysatoren. Auf der einen Seite arbeiten Forschungsgruppen weltweit an Hochleistungsmaterialien mit anspruchsvollen Zusammensetzungen, Strukturen und Morphologien. Auf der anderen Seite dominieren vergleichsweise alte oder einfache Katalysatoren die technischen und industriellen Anwendungen. Als Ursache werden in der Publikation zwei Punkte identifiziert: sowohl unzureichend entwickelte Patentierungsstrategien als auch die unzureichende Umsetzung vielversprechender Materialien unter realistischen Bedingungen.
Prof. Dr. Doris Segets von der Universität Duisburg-Essen: „Bei jedem Projekt, das eine Katalysatorentwicklung beinhaltet, sollte klar definiert werden, ob für einen bestimmten Katalysatorkandidaten tatsächlich eine mögliche technische Anwendung in Betracht gezogen wird oder ob grundlegende Forschungsthemen – zum Beispiel mechanistische Untersuchungen – im Mittelpunkt des Interesses stehen.“ Wird eine industrielle Anwendung angestrebt, sollten sich Forschende bestimmte Fragen stellen: Wie komplex oder teuer wäre es beispielsweise, das betrachtete Katalysatorsystem zu produzieren? Lässt sich der Katalysator in ausreichenden Mengen herstellen, um den Bedarf der Industrie zu decken? Und wie sieht es mit der Haltbarkeit des Katalysators während der Lagerung und vor allem im Betrieb aus?
Wir müssen jetzt gemeinsam handeln, um etwas zu bewirken.
Ähnliche Betrachtungen stellen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler auch zur Herstellung von Elektroden, zum Zellenaufbau und zu allgemeinen Benchmark-Kriterien an. Am Ende ermuntern sie Forschende, sich über ihr unmittelbares Fachgebiet hinauszuwagen und intensivere Kooperationen sowohl zwischen verschiedenen Disziplinen als auch mit der Industrie zu etablieren. „Die Entwicklung geeigneter Elektrokatalysatoren ist ein interdisziplinäres Unterfangen, bei dem Chemiker*innen, Materialwissenschaftler*innen und Ingenieur*innen entlang der gesamten Entwicklungskette Hand in Hand arbeiten müssen“, lautet die Botschaft. „Wir müssen jetzt gemeinsam handeln, um etwas zu bewirken.“ Durch die Industrialisierung der Elektrokatalyse könne die elektrochemische Wasserstofferzeugung – angetrieben durch erneuerbare Energiequellen – eine wichtige Rolle als Schrittmacher zum im Pariser Abkommen angestrebten Klimaschutz spielen.
