Wie kann aus Wind Wasserstoff entstehen? Im Interview berichtet Prof. Dr. Peter Strasser von der TU Berlin über drei Projekte, die Strom aus Offshore-Windkraftanlagen direkt unter Verwendung von Meerwasser in Wasserstoff umwandeln möchten. Das Ziel ist es, die Energie effizienter an Land zu bringen als mit teuren Hochseestromkabeln. Prof. Dr. Peter Strasser leitet das Fachgebiet „Technische Chemie/Elektrokatalyse – Materialien“ an der Fakultät II Mathematik und Naturwissenschaften der TU Berlin. Er ist Mitglied des Exzellenzclusters UniSysCat an der TU Berlin und Träger zahlreicher Auszeichnungen, darunter die Faraday-Medaille der Royal Society of Chemistry und der Carl Wagner Memorial Award der Electrochemical Society. Zudem ist er Mitglied der European Academy of Sciences und jährlich „Highly Cited Researcher“ (Web of Science, Clarivate). Im Interview erzählt er von seinen Forschungen zur katalytischen Erzeugung von Wasserstoff auf hoher See.
Herr Professor Strasser, welche Farbe hat eigentlich Wasserstoff?
Wasserstoff ist tatsächlich farblos, ein farbloses Gas. Aber ich schätze, Sie spielen auf die Farbbezeichnungen wie orangefarbener, blauer oder grüner Wasserstoff an? Dahinter stecken die verschiedenen Herstellungsverfahren und der damit verbundene CO2-Fußabdruck. Weltweit am verbreitetsten ist grauer Wasserstoff: Der wird mittels chemischer Prozesse aus fossilen Brennstoffen – vor allem aus Erdgas – gewonnen. Dabei wird klimaschädliches Kohlendioxid freigesetzt. Für die Zukunft liegt daher die Hoffnung auf grünem Wasserstoff, der klimaneutral ist.
Und wie wird grüner Wasserstoff hergestellt?
Grüner Wasserstoff wird durch Elektrolyse, der elektrochemischen Aufspaltung von Wasser, hergestellt. Der dafür genutzte Strom kommt aus regenerativen Quellen wie Solarenergie, Wasser- oder Windkraft. Wasserstoff speichert die Energie aus dem Strom tatsächlich unglaublich effizient. Während der Elektrolyse gehen dabei lediglich etwa 20 Prozent der elektrischen Energie verloren, was ein sehr guter Wert ist! Wasserstoff ist das einfachste und kleinste Molekül des Universums – und auf seine Masse bezogen das energiereichste Molekül, das wir kennen.
Sie haben als Forschungspartner im Projekt „H2Mare“ mitgearbeitet. Welchen Vorteil hätte es, Wasserstoff in Zukunft direkt am Windrad auf dem Meer erzeugen zu können?
Da gibt es tatsächlich eine ganze Reihe an Vorteilen. Weil der Wind auf dem Meer kontinuierlicher weht, erreichen Offshore-Windturbinen etwa doppelt so viele Volllaststunden pro Jahr als die an Land. Auf dem Meer wird also verlässlicher viel Windstrom erzeugt, manchmal sogar zu viel. Um das Stromnetz nicht zu überlasten, wird er dann häufig gar nicht erst eingespeist. Da setzt eine der Ideen hinter H2Mare an: Damit der produzierte Strom genutzt werden kann, könnte er für die Erzeugung von grünem Wasserstoff verwendet werden – und zwar direkt am Windrad auf dem Meer.
Lässt sich Wasserstoff denn auch gut an Land transportieren?
Ja, und das ist noch ein weiterer Vorteil. Denn Wasserstoff lässt sich im Meer über weite Strecken mit weniger Aufwand transportieren als Strom. Eine einzige Wasserstoffpipeline könnte dieselbe Menge an Energie pro Zeiteinheit an Land transportieren wie fünf bis zehn teure Hochseestromkabel. Aber das ist alles im Moment noch grüne Wasserstoff-Zukunftsmusik. Wenn in den kommenden fünf Jahren in der Nordsee ein Anlagen-Prototyp mit Elektrolyse- und Entsalzungsplattform direkt am Windrad Wasserstoff erzeugt, wäre das großartig. Damit das umsetzbar ist, ist natürlich die Politik und zielgerichtete Forschungsförderung gefragt.
Was sind die Herausforderungen bei der Wasserstoffherstellung auf dem Meer?
Neben der zeitlich variierenden Strommenge und den rauen Bedingungen auf hoher See, die für Technik aller Art eine Herausforderung darstellen, gibt es speziell für die Elektrolyse noch eine weitere: Es wird ultrareines Wasser – zweitausendmal reiner als Trinkwasserqualität – benötigt. Zudem muss es aus Meerwasser gewonnen werden, das fünfhundertmal salzhaltiger ist als Trinkwasser. Der Elektrolyse auf der Hochseeplattform muss also ein mehrstufiger Reinigungs- und Entsalzungsprozess vorausgehen. Zudem muss die dabei entstandene hochkonzentrierte Sole zum Schutz des Ökosystems verdünnt werden, bevor sie ins Meer geleitet wird. Das alles ist aufwendig. Daher forschen wir an der TU Berlin im Rahmen des Projekts H2Mare sowie den beiden EU-Projekten ANEMEL und ASTERISK nach neuen, verbesserten Elektrolyse-Verfahren und gezielten chemisch-technischen Anpassungen der Elektrolyseure – so nennt man die technischen Anlagen. Unser Ziel ist, dass die Elektrolyse künftig auch mit Wasser, das weniger aufbereitet ist, stabil durchgeführt werden kann. Das wäre nicht nur für die Herstellung von grünem Wasserstoff auf dem Meer von Vorteil, sondern auch in Regionen der Welt, in denen Wassermangel herrscht. Hier könnte dann zum Beispiel auch Abwasser für die Elektrolyse genutzt werden.
Woran forschen Sie genau?
Wir forschen an sogenannten alkalischen, membranbasierten Wasserelektrolyseuren. Bislang werden diese „AEM“-Elektrolyseure noch nicht in industriellem Maßstab genutzt. Wir konnten ihre Komponenten jedoch so verbessern und weiterentwickeln, dass sie tatsächlich auch mit nichtreinem Wasser auf Laborskala sehr gut funktionieren. Die AEM-Elektrolyse hat einige Vorteile gegenüber der sauren Membran-Elektrolyse, kurz PEM-Elektrolyse, mit der grüner Wasserstoff kommerziell hergestellt wird. Bei beiden Verfahren kommen Katalysatoren zum Einsatz, die die elektrochemische Spaltung von Wasser beschleunigen. Bei der PEM-Elektrolyse sind dies seltene Edelmetalle wie Iridium. Für die AEM-Elektrolyse konnten wir mit unedlen Metallkatalysatoren sehr gute Ergebnisse erzielen. Bei der PEM-Elektrolyse bestehen die für den Prozess erforderlichen Membranen aus fluorhaltigen Kunststoffen, die zu den bedenklichen Ewigkeitschemikalien gehören. Unsere Projektpartner konnten für die AEM-Elektrolyse leistungsstarke fluorfreie Membranen entwickeln.
Und funktioniert die AEM- Elektrolyse auch mit Meerwasser?
Ja, das haben wir getestet. Bei der gängigen PEM-Elektrolyse ist die Nutzung von nicht voll aufbereitetem Meerwasser nicht möglich, da die darin reichlich enthaltenen Chlorid-Ionen besonders gern mit Edelmetallen reagieren. Der Katalysator würde Schaden nehmen. Die unedlen Metallkatalysatoren der AEM-Elektrolyse haben überraschenderweise wenig Probleme mit den im Salzwasser enthaltenen Chlorid-Ionen, selbst bei höheren Konzentrationen. Das ist ein überaus erfreuliches Ergebnis. Übrigens verfolgen wir in unserem EU-Projekt ASTERISK nicht nur das Ziel, mit der AEM-Elektrolyse von weniger aufbereitetem Wasser Wasserstoff zu erzeugen, sondern dabei auch zusätzlich verwertbare Rohstoffe wie Calcium- und Magnesiumsalze zu gewinnen.
