Bei den Verfahren zur Erzeugung von grünem Wasserstoff geht der Trend zu Lösungen, die hohe Leistungsfähigkeit, niedrige Kosten und geringere Umweltbelastung vereinen. Eine der vielversprechendsten Innovationen in diesem Bereich ist die Anionenaustauschmembran-Wasserelektrolyse (AEM WE).

Die fortgeschrittene alkalische Elektrolyse wird seit Jahrzehnten kommerziell genutzt und ist nach wie vor die ausgereifteste Technologie für die Wasserstoffproduktion im großen Maßstab. Sie kommt derzeit in einigen der weltweit größten Projekte für grünen Wasserstoff zum Einsatz, da sie im Gigawatt-Maßstab eingesetzt werden kann. Der Prozess findet in einer konzentrierten alkalischen Umgebung statt, typischerweise unter Verwendung einer 30-prozentigen (Gew./Gew.) Kaliumhydroxid (KOH)-Lösung.

Dieser Ansatz ist zwar effektiv und relativ kostengünstig, erfordert jedoch stark ätzende Elektrolyte und stößt häufig auf Einschränkungen bei der Integration mit erneuerbaren Energiequellen. Alternativ dazu ist die Protonenaustauschmembran-Wasserelektrolyse (PEM) flexibler und kompakter aufgebaut, ist jedoch auf teure Edelmetalle, vor allem Iridium, angewiesen.

Als neuartige Technologie, deren Konzeption den schonenden Umgang mit knappen Mineralien ermöglicht, wurde die AEM-Wasserelektrolyse (AEM WE) entwickelt, um die Abhängigkeit von knappen und teuren Elektrokatalysatoren wie Platin, Palladium und Iridium zu verringern. Tatsächlich basieren AEM-Systeme auf Katalysatoren und Komponenten, die aus reichlich vorhandenen Rohstoffen wie Nickel, Eisen und anderen Übergangsmetallen hergestellt werden.

Die AEM-Elektrolyse basiert auf dem alkalischen Konzept, verwendet jedoch anstelle eines herkömmlichen Diaphragmas eine ionenleitende Membran, um Anode und Kathode der elektrochemischen Zelle voneinander zu trennen. Die Technologie arbeitet unter milderen alkalischen Bedingungen und nutzt deutlich verdünntere KOH-Lösungen (typischerweise 1 M KOH) als herkömmliche alkalische Elektrolyseure.

Was die Membranmaterialien betrifft und um den sich ständig weiterentwickelnden globalen regulatorischen Anforderungen in Bezug auf PFAS gerecht zu werden, setzt die Wasserstoffindustrie zunehmend auf PFAS-freie Membranen, um der wachsenden Kritik an diesen Chemikalien Rechnung zu tragen. Daher strebt AEM WE danach, hohe elektrochemische Leistung mit verbesserten Umweltbilanzdaten über den gesamten Lebenszyklus hinweg zu verbinden.

Mehrere aktuelle, von der EU finanzierte Forschungsprogramme konzentrieren sich auf die Entwicklung von Katalysatoren und Komponenten aus Nichtedelmetallen für AEM-Elektrolyseure. Das oberste Ziel ist der Einsatz eines Elektrolyseurs, der die betrieblichen Vorteile membranbasierter Systeme mit den typischerweise in der alkalischen Elektrolyse verwendeten Materialien verbindet und so sowohl die Investitionskosten als auch die mit der geopolitischen Abhängigkeit von kritischen Rohstoffen verbundenen Risiken in der Lieferkette reduziert. In diesem Zusammenhang ist De Nora aktives Mitglied mehrerer Forschungskonsortien und bringt sein Wissen sowie seine fundierte Expertise im Bereich des Designs und der Formulierung von Elektrokatalysatoren ein.

So konzentriert sich beispielsweise das ENDURION-Projekt darauf, durch Innovationen im Zell- und Stapeldesign einen hocheffizienten und langlebigen AEM-Druckelektrolyseur zu entwickeln. Parallel dazu entwickelt das HyPrAEM-Projekt einen neuartigen AEM-Hochdruckelektrolyseur, um die Systemleistung, die Lebensdauer und die industrielle Skalierbarkeit zu verbessern.

Zwar ist die Reduzierung des Einsatzes kritischer Metalle ein wichtiges Ziel für die AEM-Wasserstoffelektrolyse, doch reicht Nachhaltigkeit über die Katalysatorauswahl hinaus. Eine der wachsenden Sorgen im Zusammenhang mit dem großtechnischen Wasserstoffeinsatz ist der Frischwasserverbrauch. Herkömmliche Elektrolysesysteme erfordern in der Regel hochreines Wasser, was in Regionen mit Wasserknappheit und Dürre eine Herausforderung darstellen kann.

Aus diesem Grund haben sich eine Reihe europäischer Forschungskonsortien, an denen De Nora mitgewirkt hat, zunehmend darauf konzentriert, die Elektrolyse mit Rohstoffen geringerer Qualität zu ermöglichen.

So befasste sich beispielsweise das ANEMEL-Projekt mit einer der zentralen Herausforderungen der zukünftigen Wasserstoffproduktion: der Verringerung der Abhängigkeit von ultrareinem Wasser. Dies wurde durch die Entwicklung fortschrittlicher Membranen, Katalysatoren und Systemkomponenten erreicht, die mit Wasserströmen geringerer Qualität betrieben werden können.

Indem ANEMEL den Betrieb mit weniger gereinigtem Wasser ermöglichte, ebnete es den Weg für das ebenfalls mit europäischen Fördermitteln unterstützte Projekt ASTERISK. In diesem Fall untersuchten die Forscher neue Materialien und Systemkonzepte, um die direkte Nutzung von Meerwasser als Ausgangsmaterial für die Wasserstoffproduktion zu ermöglichen.

Insgesamt spiegeln die Reduzierung der Abhängigkeit von Edelmetallen, der Einsatz PFAS-freier Materialien und die Minimierung des Frischwasserverbrauchs ein umfassendes Engagement für die Entwicklung von Wasserstofftechnologien wider, die die Dekarbonisierung unterstützen und gleichzeitig zukünftige Umwelt- und regulatorische Anforderungen vorwegnehmen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass mehrere Hersteller von Elektrolyseuren und Komponenten, darunter De Nora, an der AEM-WE-Technologie und deren industriellem Einsatz forschen, um interne Prinzipien des kreislauforientierten Designs umzusetzen und die Abhängigkeit von knappen, geografisch konzentrierten Metallen der Platingruppe zu verringern. Ziel ist es, Systeme zu entwickeln, die Robustheit und hohe Leistung vereinen und gleichzeitig Betriebseigenschaften bieten, die mit denen heute handelsüblicher Technologien vergleichbar sind.