Grüner Wasserstoff ist noch teuer – doch das könnte sich tief im Inneren der Anlagen ändern

Grüner Wasserstoff klingt nach Zukunft. Nach sauberem Stahl, klimafreundlicher Chemie, vielleicht sogar nach Lkw ohne Diesel. Doch bevor das im großen Maßstab machbar wird, muss ein Problem gelöst werden, das im Inneren der Anlagen sitzt: Korrosion.

In vielen Elektrolyseuren herrscht eine saure Umgebung. Gewöhnlicher Stahl würde dort schnell angegriffen. Deshalb stecken bislang teure Metalle wie Titan und Platin in der Technik. Sie machen die Anlagen widerstandsfähig – aber auch teuer.

Forscher der Schweizer Empa testen nun eine Beschichtung aus Titanoxid. Sie soll Stahl vor Korrosion schützen – und Elektrolyseure dadurch deutlich günstiger machen.

Grüner Wasserstoff leidet unter einem versteckten Kostenproblem

Die Idee hinter grünem Wasserstoff ist schnell erklärt: Strom aus Wind- oder Solaranlagen spaltet Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff. Kommt der Strom aus erneuerbaren Quellen, entsteht dabei kaum CO₂.

In der Praxis wird es komplizierter. Viele Elektrolyseure arbeiten mit der sogenannten PEMWE-Technologie. Die Abkürzung steht für „Polymer Electrolyte Membrane Water Electrolysis“. Solche Anlagen gelten als effizient und kommen gut mit schwankendem Ökostrom zurecht. Im Inneren herrschen aber harte Bedingungen: sauer, aggressiv, materialfeindlich.

„Stahl löst sich dort wie Zucker in einer Tasse Tee auf“, sagt Empa-Forscher Konstantin Egorov. Schon kleine Metallspuren im Wasser können die Leistung verschlechtern und die Lebensdauer verkürzen. Deshalb bestehen wichtige Teile bislang aus Titan. Viele Bauteile tragen zusätzlich eine dünne Platinschicht.

Das macht die Technik teuer. Titan lässt sich schwerer verarbeiten als Stahl. Platin gehört zu den teuersten Edelmetallen. Für Hersteller von Elektrolyseuren wird daraus schnell ein Kostenproblem.

Bei Wasserstoff aus Erdgas sieht die Sache anders aus: Dort wird der Wasserstoff mit Hitze und Wasserdampf aus Methan herausgelöst – eher wie ein chemisches Aufbrechen des Rohstoffs.

Wie Titanoxid Stahl im Elektrolyseur schützen soll

Die Empa arbeitet gemeinsam mit französischen Forschungseinrichtungen an einer Alternative. Unterstützt wird das Projekt vom Schweizerischen Nationalfonds und der französischen Forschungsagentur ANR. Die Forscher testen eine besondere Form von Titanoxid. Das Material leitet Strom gut und bleibt trotzdem widerstandsfähig gegen Korrosion.

Dafür nutzen sie hochkristallines sauerstoffarmes Rutil. In diesem Material fehlen einzelne Sauerstoffatome. Dadurch verändert sich die elektrische Leitfähigkeit. Das Bauteil darunter muss dann nicht mehr aus Titan bestehen, sondern könnte aus gewöhnlichem Stahl gefertigt werden.

Für die Industrie hätte das klare Vorteile:

• Stahl kostet deutlich weniger als Titan
• Stahl lässt sich einfacher formen und bearbeiten
• Hersteller könnten Bauteile günstiger produzieren

„Stahl ist nicht nur günstiger, sondern auch viel einfacher zu verarbeiten. Das ermöglicht neue, fortschrittliche Komponentendesigns“, sagt Egorov. Erste Ergebnisse der Empa fallen positiv aus. Eine wichtige Komponente des Elektrolyseurs wurde bereits erfolgreich beschichtet.

Vom Labor in den Elektrolyseur: Jetzt muss die Schicht beweisen, was sie kann

Für die Beschichtung verwenden die Forscher ein Verfahren namens physikalische Gasphasenabscheidung, kurz PVD. Die Industrie nutzt diese Technik bereits seit Jahren, etwa bei Werkzeugen oder technischen Oberflächen. Das spricht dafür, dass sich das Verfahren später auch in größeren Produktionsanlagen einsetzen lässt. „Es ist uns wichtig, etwas zu entwickeln, was die Industrie tatsächlich gebrauchen kann“, sagt Egorov.

Noch ist die Beschichtung aber nicht am Ziel. Die Teile müssen nun weitere Belastungstests bestehen. Zunächst prüfen Labore, wie stark Korrosion die Materialien angreift. Danach folgen Versuche in funktionierenden Elektrolyseuren. Eine sogenannte bipolare Platte hat solche Tests bereits erfolgreich bestanden.

Als Nächstes nehmen die Forscher eine poröse Transportschicht genauer unter die Lupe. Dieses Bauteil verteilt Wasser und Gase im Inneren der Anlage. Gerade dort ist die Beschichtung besonders schwierig: Die winzigen Poren müssen vollständig geschützt bleiben, dürfen aber nicht verstopfen. Die Arbeiten laufen noch bis 2026. Danach hofft die Empa auf Industriepartner für die weitere Entwicklung.

Kurz zusammengefasst:

• Grüner Wasserstoff gilt als klimafreundliche Alternative zu Erdgas, ist bislang aber deutlich teurer in der Herstellung.
• Viele Elektrolyseure benötigen Titan und Platin, weil normale Metalle in der sauren Umgebung schnell korrodieren.
• Forscher der Empa testen nun eine Titanoxid-Beschichtung auf Stahl, die Elektrolyseure günstiger und einfacher produzierbar machen könnte.

Übrigens: Grüner Wasserstoff könnte künftig nicht mehr nur mit Süßwasser entstehen, sondern direkt im Meer. Forscher wollen dafür Mikroben aus Nord- und Ostsee nutzen, die selbst salziges Wasser für die Wasserstoffproduktion nutzbar machen sollen. Mehr dazu in unserem Artikel.

Bild: © Empa