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Ein Wunder ohne Edelmetallkatalysatoren: Wie gelingt mit der AEM-Elektrolyse eine kostengünstige Wasserstoffproduktion?
Da die weltweite Nachfrage nach erneuerbarer Energie steigt, hat das Potenzial von Wasserstoff als saubere Energiequelle große Aufmerksamkeit auf sich gezogen. Allerdings erfordern herkömmliche Methoden zur Wasserstoffherstellung häufig teure Edelmetallkatalysatoren, was die weitverbreitete Anwendung von Wasserstoff in gewissem Maße einschränkt. Durch die jüngste Entwicklung der Anionenaustauschmembran-Elektrolysetechnologie (AEM) wurden neue und kostengünstige Wege zur Wasserstoffproduktion erschlossen.
AEM-Elektrolyse ist eine Technologie, bei der eine halbdurchlässige Membran zur Leitung von Hydroxidionen (OH−) verwendet wird, um eine Wasserelektrolyse durchzuführen.
Technische Vorteile
Der größte Vorteil der AEM-Elektrolyse besteht darin, dass anstelle teurer Edelmetallkatalysatoren kostengünstige Übergangsmetallkatalysatoren eingesetzt werden können. Dies steht im Gegensatz zur Protonenaustauschmembran-Elektrolyse (PEM), die für ihre Katalysatoren auf seltene Metalle wie Platin und Ruthenium angewiesen ist, was die PEM-Technologie wirtschaftlich unrentabel macht. Beispielsweise wird erwartet, dass ein 100-MW-PEM-Elektrolyseur 150 kg Ruthenium benötigt, was Kosten von etwa 7 Millionen Dollar verursachen würde.
Die Elektroden des AEM-Elektrolyseurs können in reinem Wasser oder leicht alkalischen Lösungen (wie etwa 0,1–1 M KOH/NaOH) betrieben werden, was das Risiko von Leckagen reduziert.
Im Vergleich zur herkömmlichen alkalischen Wasserelektrolyse-Technologie (AWE) bietet die AEM-Elektrolyse eine höhere Flexibilität und verbessert die Katalysatorauslastung. Der Bericht besagt, dass der Spannungsbedarf des AEM-Elektrolyseurs beim Betrieb mit reinem Wasser ohne Edelmetallkatalysatoren 1,8 Volt beträgt, während bei Verwendung einer 1M KOH-Lösung lediglich 1,57 Volt erforderlich sind. Dies zeigt, dass der AEM-Elektrolyseur eine gute Energieeffizienz aufweist.
Aktuelle Herausforderungen
Obwohl die AEM-Elektrolysetechnologie großes Potenzial aufweist, gibt es noch einige Herausforderungen, insbesondere im Hinblick auf die Haltbarkeit. Durch eine Literaturrecherche wurde festgestellt, dass die Haltbarkeit aktueller AEM-Elektrolyseure ohne Edelmetallkatalysatoren hauptsächlich zwischen 2000 und 7000 Stunden liegt. Dies ist im Vergleich zu der Lebensdauer eines PEM-Elektrolyseurs von 20.000 bis 80.000 Stunden relativ unzureichend.
Die AEM-Elektrolysetechnologie befindet sich noch in der frühen Forschungs- und Entwicklungsphase und es fehlt im Vergleich zur kommerziellen PEM-Elektrolysetechnologie an Literatur.
Neben der Haltbarkeit ist auch die chemische Stabilität von AEM ein Problem, da es sehr empfindlich auf Angriffe durch Hydroxidionen reagiert. Daher muss die künftige Forschung die Verbesserung von Membranmaterialien verstärken und nach AQE-Designs suchen, die die Leitfähigkeit und Hochtemperaturbeständigkeit erhöhen.
Wissenschaftliche Prinzipien
Der Reaktionsprozess bei der AEM-Elektrolyse ist ebenso komplex. Die Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER) erfordert vier Elektronen, um ein Molekül Sauerstoff zu erzeugen. Der mehrstufige Prozess dieser Reaktion führt zu einer hohen Energiebarriere, die wiederum die Überspannung, die für die Reaktion erforderlich ist. Darüber hinaus ist die Kinetik der Wasserstoffentwicklungsreaktion (HER) in alkalischen Lösungen langsamer als in sauren Lösungen, da in alkalischen Umgebungen ein zusätzlicher Protonendissoziationsschritt stattfindet.
Zukunftsaussichten
Die erfolgreiche Anwendung der AEM-Elektrolysetechnologie erfordert nicht nur eine verbesserte Materialentwicklung, sondern auch eine Zusammenarbeit innerhalb der Branche zur Lösung aktueller Herausforderungen. Schlüsselfaktoren in diesem Prozess sind die Entwicklung geeigneter Katalysatoren sowie die Verbesserung der Haltbarkeit und Stabilität der Membran.
Die Förderung kostengünstiger und hocheffizienter Technologien zur Wasserstoffproduktion wird im Mittelpunkt der künftigen Entwicklung nachhaltiger Energien stehen.
Können wir uns angesichts der kontinuierlichen Innovationen in der Wasserstoffproduktionstechnologie darauf verlassen, dass die AEM-Elektrolysetechnologie die globale Energielandschaft neu gestalten kann?
