Der Markt insgesamt räumt Innovationen bei Materialien und Komponenten jedoch tendenziell eine geringere Priorität ein. Dieser Artikel beleuchtet einige kritische Prioritäten bei Materialien und Komponenten für wichtige Elektrolyseurtechnologien, basierend auf Daten aus dem IDTechEx-Bericht „Materialien für die Produktion von grünem Wasserstoff 2024–2034: Technologien, Akteure, Prognosen“.

Alkalische Wasserelektrolyse (AWE): Neue Elektrodendesigns für verbesserte Effizienz

Die alkalische Wasserelektrolyse (AWE) ist eine ausgereifte und weit verbreitete Technologie, die die niedrigsten Systeminvestitionskosten und eine vorhersehbare Langzeitleistung bietet. Der AWE-Zellenstapel verwendet einen flüssigen alkalischen Elektrolyten (Kaliumhydroxid, KOH) zusammen mit einer porösen Membran und basiert auf weit verbreiteten Materialien wie Nickel und Edelstahl.

Eine der größten Herausforderungen der Wasserelektrolyse (AWE) ist ihre geringere Effizienz im Vergleich zum Hauptkonkurrenten, dem Protonenaustauschmembran-Elektrolyseur (PEMEL). Daher konzentrieren sich Entwickler von Elektrolyseurtechnologien und -materialien auf die Herstellung leistungsstarker Katalysatorbeschichtungen für Elektroden, um die Effizienz der Wasserspaltung in Wasserstoff und Sauerstoff zu verbessern. Solche Beschichtungen sind zwar kommerziell erhältlich, viele basieren jedoch weiterhin auf der Verwendung kritischer Platingruppenmetalle (PGM) wie Ruthenium in Mischoxidbeschichtungen.

Die Forschung an Elektrodenbeschichtungen konzentriert sich auf die Entdeckung und Anwendung neuer Katalysatormaterialien. Zu den vielversprechendsten Strategien zählt die Kombination von Nickel mit anderen Übergangs- und Nichtübergangsmetallen, beispielsweise in NiFeCoP. Darüber hinaus lässt sich die Verwendung poröser Elektroden, wie etwa Nickelgewebe, besonders gut mit diesen Beschichtungen kombinieren. So entstehen hochgradig nanostrukturierte Katalysatoren mit großen Oberflächen für Reaktionen.

Durch das Anpressen dieser Elektroden an die poröse Membran lässt sich die Effizienz weiter steigern, da die chemischen Spezies einen kürzeren Weg zwischen den Reaktionsstellen zurücklegen müssen. Diese Konfiguration, bekannt als Null-Hohlraum-Zelle, wird bereits häufig in kommerziellen AWE-Stacks eingesetzt. De Nora ist einer der Hersteller von Null-Hohlraum-Zellkomponenten und fortschrittlichen Elektrodenbeschichtungen und arbeitet mit etablierten AWE-Anbietern wie McPhy Energy und thyssenkrupp nucera zusammen. IDTechEx geht davon aus, dass die Kombination dieser Material- und Komponentendesignstrategien die AWE-Effizienz weiter verbessern kann, jedoch sind hierfür umfassendere kommerzielle Anstrengungen erforderlich.

Protonenaustauschmembran-Elektrolyseur (PEMEL): Reduzierung des Bedarfs an teuren und kritischen Materialien

Protonenaustauschmembran-Elektrolyseure (PEMELs) gewinnen aufgrund ihrer hohen Effizienz, kompakten Bauweise und Anpassungsfähigkeit an schwankende erneuerbare Energiequellen zunehmend an Bedeutung. Obwohl die Standardisierung der Materialien in PEMEL-Brennstoffzellen voranschreitet, stagniert die Innovation keineswegs, insbesondere bei der Entwicklung von Anodenkatalysatoren.
Platin (Pt) und Iridium (Ir) katalysieren die elektrochemischen Reaktionen der Wasserstoff- bzw. Sauerstoffentwicklung im Elektrolyseur. Die modernsten verwendeten Materialien sind Platin auf Ruß (Pt/C) für die Kathode und Iridiumschwarz (Ir) oder Iridiumoxid (IrOx) für die Anode. Die Verwendung von Iridium in der Anode ist besonders problematisch, da Strombelastungen von 1 bis 2,5 g/kW und der hohe Bedarf von PEMEL-Systemen die weltweite Iridiumversorgung erheblich belasten können.

Katalysatorhersteller wie Heraeus Precious Metals begegnen dem Iridiumproblem mit der Kombination von Iridium und Ruthenium in einem Mischoxidkatalysator (IrRuOx). Angesichts des dringenden Bedarfs an einer Reduzierung des Iridiumgehalts könnte dieses Material in naher Zukunft kommerziell verfügbar sein. Eine weitere Strategie, die sowohl in der akademischen Forschung als auch in der Unternehmensentwicklung verfolgt wird, ist der Einsatz von geträgerten Iridiumkatalysatoren, ähnlich dem Pt/C-Ansatz. Darüber hinaus konzentriert sich die Forschung stark darauf, Iridium durch andere Platingruppenmetalle (PGM) wie Ruthenium zu ersetzen, indem dieses mit Übergangsmetallen in Mischoxiden kombiniert wird. Insgesamt befinden sich iridium- und PGM-freie Katalysatoren noch in einem frühen Entwicklungsstadium. IDTechEx prognostiziert, dass weitere Forschungsanstrengungen erforderlich sein werden, um ihre Wettbewerbsfähigkeit nachzuweisen und den Weg für eine breite kommerzielle Anwendung zu ebnen.

Andere Komponenten des PEM-Elektrolyseurs, wie die Gasdiffusionsschichten (GDLs) und Bipolarplatten, verwenden ebenfalls Edelmetallbeschichtungen sowie Titan. Da beide Materialien zukünftig problematischer werden könnten, erforschen viele Unternehmen neue Herstellungs- und Beschichtungsverfahren, um ihre Abhängigkeit davon zu reduzieren. Weitere Informationen finden Sie im früheren Forschungsartikel von IDTechEx zu PEM-Elektrolyseurmaterialien.

Innovationsprioritäten bei Materialien und Komponenten für Elektrolyseure. Quelle: IDTechEx

Anionenaustauschmembran-Elektrolyseur (AEMEL): Verbesserung der Membranen und Vermeidung kritischer Materialien

Der Anionenaustauschmembran-Elektrolyseur (AEMEL) ist eine relativ junge, aber schnell wachsende Technologie, die die Vorteile von alkalischen und PEM-Technologien vereint. AEMEL kombiniert die reichlich vorhandenen Materialien der alkalischen Wasserelektrolyse mit der hohen Effizienz der PEM-Technologie. Diese Technologie erlebt ein rasantes Wachstum und ständige Innovationen, wie beispielsweise Unternehmen wie Enapter beweisen, die Pionierarbeit bei der Entwicklung kommerzieller Megawatt-Systeme leisten.

IDTechEx hat festgestellt, dass viele Forschungsgruppen, die sich mit der AEMEL-Technologie befassen, weiterhin Platin-Iridium-basierte Katalysatoren in ihren Elektroden verwenden. Ein zentrales Ziel für die Industrie und neue Marktteilnehmer sollte es sein, den Einsatz von Platingruppenmetallen (PGM) vollständig zu eliminieren und stattdessen auf leistungsstarke, nanostrukturierte Katalysatoren für die AWE-Technologie zu setzen. Darüber hinaus könnte diese Technologie von der Anwendung von Gasdiffusionselektroden (GDEs) profitieren, die die Gasdiffusionsschicht und die Elektrode zu einer einzigen Komponente vereinen.

Eine weitere Herausforderung stellt die große Materialvielfalt von Anionenaustauschmembranen (AEMs) und die damit einhergehenden Unterschiede in Leistung und Haltbarkeit dar. AEMs können von Strategien profitieren, die bei Protonenaustauschmembranen (PEMs) Anwendung finden, wie beispielsweise der Vernetzung der Polymerketten und der Verwendung von Trägerschichten (z. B. PTFE), auf die die AEM aufgebracht werden kann. Materialvariationen werden voraussichtlich bestehen bleiben, doch können sich Entwickler von AEMs von den aktuellen Fortschritten in der AWE- und PEM-Technologie inspirieren lassen und diese auf ihre eigenen Zell- und Stapeldesigns anwenden.

Festoxid-Elektrolyseur (SOEC): Zellstruktur optimiert für hohe Leistung und geringe Degradation

Der Festoxid-Elektrolyseur (SOEC) ist eine relativ neue Technologie im Bereich der Elektrolyse und hat im Vergleich zu AWE und PEMEL eine geringere Marktpräsenz. SOEC arbeitet bei deutlich höheren Temperaturen (>600 °C) als die zuvor genannten Niedertemperaturtechnologien (50–90 °C) und erfordert daher ganz andere Materialien und Konstruktionsansätze.

Die SOEC-Technologie hat stark von den Materialfortschritten der Festoxidbrennstoffzellentechnologie (SOFC) profitiert, da die meisten SOECs für den reversiblen Betrieb ausgelegt sind – entweder als Elektrolyseur (SOEC) oder als Brennstoffzelle (SOFC). Während einige Keramikkomponenten bereits in der Technologie etabliert sind, stellt die Entwicklung neuer Materialien und Elektroden-Elektrolyt-Einheiten in SOECs ein vielversprechendes Innovationsfeld dar.

Zu den Innovationsprioritäten zählt der Einsatz von Elektrolyten, die niedrigere Betriebstemperaturen ermöglichen und somit langfristige Stabilität und Kostenvorteile bieten. Ein Beispiel hierfür ist Gadolinium-dotiertes Ceroxid (GDC), das bereits in einigen kommerziellen Batterien, beispielsweise von Unternehmen wie Ceres Power, verwendet wird. Ein weiterer wichtiger Aspekt ist der Einsatz metallgestützter Zellen (MSCs), da diese gegenüber den in kommerziellen Batterien häufiger anzutreffenden elektroden- oder elektrolytgestützten Zellen mehrere Vorteile bieten. Zu diesen Vorteilen gehören geringere Materialkosten und eine höhere Beständigkeit gegenüber Temperaturwechseln und mechanischer Belastung. Darüber hinaus werden erhebliche Anstrengungen unternommen, um die thermische und chemische Kompatibilität der Zellmaterialien mit den Verbindungsleitungen, Kontaktschichten und Dichtungsmassen zu verbessern.

Zukünftig könnten für SOEC-Batterien fortschrittlichere Materialien zum Einsatz kommen. Insgesamt wird in SOEC-Batterien eine breite Palette an Materialien verwendet, was nicht nur die Vielfalt der Technologie, sondern auch das Innovationspotenzial bei Materialien für diese Hochtemperatur-Elektrolyseure unterstreicht.

Marktausblick und strategische Perspektiven

Die Entwickler von Elektrolyseurtechnologien und -materialien stehen vor zahlreichen, oft miteinander verknüpften Herausforderungen. Beispielsweise kann die Verringerung der Dicke der Protonen- oder Anionenaustauschmembran zwar die Effizienz steigern, aber gleichzeitig die Membranlebensdauer verringern. Umgekehrt erhöht eine Steigerung der Lebensdauer durch fortschrittliche Materialien und Fertigungstechniken die Herstellungskosten. Daher gibt es keinen allgemeingültigen optimalen Ansatz für die Material- und Komponenteninnovation. Dieser Optimierungsprozess eröffnet jedoch erhebliche Geschäftsmöglichkeiten für die Entwicklung hochentwickelterer Elektrolyseurmaterialien.

Autor: Chingis Idrissov, Technologieanalyst bei IDTechEx