Der Katalysator: Wichtigstes Element zur Transformation

Grüner Wasserstoff gilt als eine Schlüsseltechnologie für eine klimaneutrale Zukunft. Auch mit Hinblick auf Namibia, da der Staat voll auf die Gewinnung im eigenen Land setzt, auch um die Wirtschaft anzukurbeln. Doch seine Herstellung via Elektrolyse birgt technische Herausforderungen: Die bisher verwendeten Katalysatoren erbringen keine dauerhaft stabile Leistung.

Will man in der chemischen Industrie Einfluss auf den Zeitverlauf einer chemischen Reaktion nehmen, so wird auf sogenannte Katalysatoren zurückgegriffen. Dabei werden die reagierenden Stoffe selbst nicht verbraucht. Vor allem bei gewollt erzwungenen Reaktionen zweier chemischer Komponenten mit unterschiedlichem Aggregatszustand, kommen Katalysatoren zum Einsatz.

Der Katalysator wird einer Reaktion beigegeben und durch diesen wird die Aktivierungsenergie herabgesetzt. Das hat zur Folge, dass die Reaktion schneller abläuft, da nicht erst eine große Menge an Energie nötig ist, um die Reaktion ablaufen zu lassen. Katalysatoren ändern also die Kinetik (Energie der Bewegung) einer chemischen Reaktion, ohne dabei die Thermodynamik zu ändern. So laufen eine Vielzahl von Reaktionen nicht nur in der Industrie, vor allem in der chemischen, aber auch in der Natur mit ihrer Hilfe ab.

Zur Gewinnung und danach auch chemischen Speicherung von Wasserstoff sind Katalysatoren quasi unumgänglich. Hier handelt es sich um sogenannte heterogene Katalysatoren. Diese liegen in einem anderen Aggregatszustand als den Reaktionspartnern vor.

Allerdings ist die Produktion von Wasserstoff sehr energieaufwendig. So enthält eine Tonne Wasserstoff eine Energiemenge von 33.330 Kilowattstunden. Das entspricht dem durchschnittlichen jährlichen Strom-Energieverbrauch von 11 Drei- Personen-Haushalten in einem Mehrfamilienhaus nach europäischen Standards.

Die Unterschiede

Wasserstoff ist immer ein farbloses Gas. Dennoch gibt es Unterschiede, die sich in der Herstellung begründen. Fachleute unterscheiden dabei zwischen Grauem, Blauem und Grünem Wasserstoff. Die enorm energieaufwendige Produktion von Wasserstoff wird beim Grauen mit Hilfe der Verbrennung von fossilen Brennstoffen durchgeführt. Das dabei anfallende Kohlenstoffdioxyd (CO2) wird in die Atmosphäre abgegeben.

Man spricht von blauem Wasserstoff, wenn dieses „Abfallprodukt“ CO2 aufgefangen und gespeichert wird. Dieser Prozess wird Carbon Capture and Storage (CCS, Kohlenstoffabscheidung und -speicherung) genannt. Der Grün Wasserstoff wird mit alternativen Energien wie unter anderem Sonnen-, Windkraft- und Wasserkraft gewonnen. In allen drei Gewinnungsarten kommen Katalysatoren zum Einsatz. Besonders wichtig sind hier feste, poröse Katalysatoren, da diese sehr gut von flüssigen oder gasförmigen Reaktionsprodukten abgetrennt werden können.

Nachteile beim Einsatz

Allerdings gibt es gerade beim Einsatz von Katalysatoren bisher auch Nachteile, denn die Abnutzung der Aktivierungsbeschleuniger ist enorm. Die Leistungsfähigkeit der Elektrokatalysatoren ist nicht dauerhaft stabil, sondern nimmt über die Zeit ab. Dieser Wirkungsgradverlust der Katalysatoren ist auf Veränderungen an deren Oberfläche zurückzuführen, die durch den elektrochemischen Prozess der Wasserstoffgewinnung verursacht werden. Bei dem Prozess der Synthese wird bei vermehrter Anreicherung von Wasserstoff die Gitterstruktur des Katalysators verändert, was zur Verschlechterung der Leistung des Katalysators führt.

Deswegen versuchen Forscher aus aller Welt hier entgegenzuwirken. Die Erforschung dieser Umwandlungs-Mechanismen, die auf einem atomaren Level stattfinden, ist schwierig, denn die derzeit verfügbaren Methoden zu einer so genauen Oberflächenanalyse sind begrenzt.

Dünne „Schutzschichten“

Dennoch gibt es Durchbrüche: Wie in der Fachzeitschrift „Nature Materials“ berichten wird, haben Forscher herausgefunden, dass sich die Menge des Wasserstoffs bei der Produktion verdoppeln lässt, wenn auf einer Elektrode eine ultradünne Schicht aus Lanthannickelat (gehört zu den perowskitartigen Nickelaten) aufgetragen wird, sodass die Elektrode wie ein Katalysator wirkt. Eine Schicht, dünn wie ein einziges Atom, macht einen gewaltigen Unterschied: Auf der Oberfläche einer Elektrode verdoppelt sie die Menge des Wassers, das in einer Elektrolyse-Anlage gespalten wird – ohne dass sich dabei der Energiebedarf erhöht. Damit verdoppelt die ultradünne Schicht auch die Menge des produzierten Wasserstoffs, ohne dass die Kosten steigen.

Kosten der Katalysatoren

Daher ist ihre Effizienz und Lebensdauer entscheidend für die künftige Verfügbarkeit von grünem Wasserstoff und damit für eine kohlenstofffreie Wirtschaft, da die Elektrokatalysatoren 50 % der Gesamtkosten ausmachen. Forscher unter der Leitung des Max-Planck-Instituts für Eisenforschung (MPIE) haben dabei herausgefunden, warum diese Katalysatoren sich tatsächlich verschlechtern und eine kürzere Lebenserwartung haben. Ihre Arbeit zeigt, dass der erzeugte Wasserstoff selbst der Engpass ist. Ihre Studie wurde in der Fachzeitschrift ACS Energy Letters veröffentlicht.

Deswegen ist die Erforschung der Vorgänge an der Katalysatoroberfläche von großer Bedeutung, um in Zukunft noch effizienter vor allem Grünen Wasserstoff produzieren zu können und damit die Dekarbonisierung von Branchen wie der Stahl- und Chemieindustrie voranzutreiben.

Katalysator als Transformation

In diesem Sinne ist der Elektrokatalysator und dessen Entwicklung auch wichtig für die Transformation zur Energiewende, denn bei der Erreichung der Klimaschutzziele wird grüner Wasserstoff eine essenzielle Rolle spielen. Damit ist die Forschung in die effizientere Gewinnung einer der Säulen gerichtet, auf die die Wissenschaftler sich spezialisiert haben. Verschiedene Ansätze werden dabei von den Forschungsinstituten verfolgt. Je effizienter die Aktivierungsbeschleunigung und damit die Anreicherung des so wichtigen Elements für die Energiewende, desto geringer wird der Energieaufwand zur Produktion. Denn eines haben Grauer, Blauer und auch Grüner Wasserstoff gemeinsam, sie benötigen aller drei gleichsam viel Energie zur Erzeugung.

Olaf Mueller

Quellen: Fraunhofer Institut, chemie.de, Stiftung Werner-von-Siemens-Ring, Forschungszentrum Jülich, und einige andere.