Iridium könnte Elektrolyseurhochlauf bremsen

Vulcano-Plot verschiedener Metalloxide für die Sauerstoff-Evolution, nach [2]
Vulcano-Plot verschiedener Metalloxide für die Sauerstoff-Evolution, nach [2]

Obwohl mithilfe von erneuerbaren Energien erzeugter Wasserstoff schon seit Jahrzehnten als mögliche Alternative zu fossilen Energieträgern im Gespräch ist, spielt er bislang nur eine Nebenrolle. Die Zeichen stehen aber in jüngster Zeit auf Wechsel, so dass „grüner“ Wasserstoff im Energiesektor einen Aufschwung bekommen könnte: Immer leistungsfähigere Elektrolysesysteme sind verfügbar, und die Preise für diese Anlagen sinken.

Bei einem starken Zubau von PEM-Elektrolyseuren könnte allerdings Iridium knapp und damit teurer werden und somit einer Senkung der derzeit schon nicht unerheblichen Investitionskosten entgegenstehen. Derzeit sind auf Iridium basierende Katalysatoren für die Gesamtkosten zwar noch nicht sonderlich relevant, aber das könnte sich schon bald ändern. Deswegen möchten wir in diesem Artikel die Rolle des für die PEM-Elektrolyse kritischen Rohstoffs Iridium beleuchten und einen möglichen Lösungsweg gegen eine Verknappung aufzeigen.

Die PEM-Elektrolyse mit ihrer hohen Dynamik, ihrer hervorragenden Wasserstoffqualität ohne aufwändige Nachbehandlungsschritte, ihrer sehr hohen Leistungsdichte und der bereits hohen Technologiereife stellt eine besonders vielversprechende Technologie für die H2-Herstellung dar. Ein großer Schub geht zudem aktuell von immer günstiger werdenden erneuerbaren Stromerzeugungskapazitäten aus. Für eine wettbewerbsfähige elektrolytische Herstellung von Wasserstoff sind niedrige Strompreise grundlegend. Wasserstoff aus der klassischen Dampfreformierung von Erdgas kostet derzeit etwa 2 €/kg inklusive Investition, Betrieb und Wartung der Anlagen [1]. Würde man das H2-Gas elektrolytisch bei einem Systemwirkungsgrad von 70 Prozent (Lower Heating Value – LHV) erzeugen, würden Stromkosten von 4 Ct/kWh bereits 2 €/kg Betriebskosten ergeben (bei Vernachlässigung aller weiteren Kosten, die bei Anschaffung und Betrieb des Elektrolyseurs anfallen). Um also mit der klassischen fossilen Erzeugung gleichauf zu sein, müssen die Gesamtkosten für elektrolytischen Wasserstoff noch weiter sinken.

Iridium in der PEM-Elektrolyse

Die Wasserspaltung bei der Elektrolyse findet an der Anode statt und ist eine vergleichsweise langsam ablaufende Reaktion. Pro Molekül, das gespalten werden soll, müssen bei dieser sogenannten Sauerstoffevolution (Oxygen Evolution Reaction – OER) vier Elektronen übertragen werden. Dementsprechend wichtig ist ein hochaktiver Katalysator, um die Überspannung und somit auch die Verluste gering zu halten.

Abbildung 1 zeigt im sogenannten Vulcano-Plot die Aktivität verschiedener Materialien für die OER über der Affinität der Produkte und Edukte der Reaktion zur Materialoberfläche: Weder soll die Oberfläche des Katalysators das Wasser nur schlecht anhaften lassen (linker Bereich), noch sollen sich die Produkte O2 und H+ nur zaghaft wieder ablösen (rechter Bereich). Somit sind theoretisch insbesondere die Materialien nahe der Spitze des Vulcano-Plots gut geeignet für die Anwendung als OER-Katalysator. Im realen Betrieb kommt aber die Stabilität der Materialien als entscheidender weiterer Aspekt hinzu.

weiterlesen im HZwei Juli-Heft

Autoren: Maximilian Möckl, Dr. Maximilian Bernt

1 Gedanke zu “Iridium könnte Elektrolyseurhochlauf bremsen

  1. Gute Idee, was ist daraus geworden?
    Als junger Ingenieur lernte ich vor (3-4 ?) Jahrzehnten auf einer Fachmesse eine Elektrolysezelle von der damaligen KFA Jülich unter dem Namen „hot Elly“ kennen, bei der ein nennenswerter Anteil der Trennarbeit thermisch erfolgt in einem röhrenförmigen keramischen System (Anode innen, Kathode außen, H2-Diffusion durch Rohrwandung ?) . Wer weiß etwas darüber?
    Das Hauptproblem ist immer noch ein hocheffizienter preiswerter Katalysator und hochreines Gas für die PEMFC ?

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