10. Dezember 2019

Grüner Wasserstoff

Ein HZDR-Experiment liefert wichtige Ansätze, um die Wasserelektrolyse zu optimieren.

Mit Experimenten im Labor und während einer Parabelflug-Kampagne hat ein internationales Forscherteam des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) neue Einsichten zur Wasserelektrolyse erzielt, bei der Wasserstoff aus Wasser durch elektrische Energie erzeugt wird. Für die Energiewende könnte die Wasserelektrolyse eine Schlüsseltechnologie sein. Allerdings muss sie dafür noch effizienter werden. Die kürzlich in der Fachzeitschrift „Physical Review Letters“ veröffentlichten Ergebnisse bieten einen möglichen Ausgangspunkt, um die Ökobilanz wasserstoffbasierter Technologien zu verbessern.

Die Wasserelektrolyse
Damit überschüssiger Strom aus Spitzenausbeuten von Solar- und Windkraftanlagen nicht ungenutzt bleibt, sind praktikable Lösungen notwendig, um die Energie zwischenzuspeichern. Eine attraktive Möglichkeit bietet die Produktion von Wasserstoff, aus dem dann auch andere chemische Energieträger hergestellt werden können. Wichtig ist, dass dies möglichst effizient und damit kostengünstig geschieht.

Das Forscherteam am HZDR unter Leitung von Prof. Kerstin Eckert hat sich speziell mit der Wasserelektrolyse beschäftigt. Diese Methode nutzt elektrische Energie, um Wassermoleküle in ihre Bestandteile – Wasserstoff und Sauerstoff – zu spalten. Dafür wird in einem mit Wasser und etwas Lauge oder Säure gefüllten Gefäß Strom über zwei Elektroden angelegt. Während sich an der einen Elektrode gasförmiger Wasserstoff bildet, entsteht an der anderen Elektrode Sauerstoff. Die Energieumwandlung ist jedoch nicht verlustfrei. Praktisch werden je nach Elektrolyseverfahren heute erst Wirkungsgrade von rund 65 bis 85 Prozent erreicht. Ziel der Elektrolyseforschung ist es, die Werte durch bessere Verfahren auf rund 90 Prozent zu steigern.

Schwingende Gasblasen aus Wasserstoff verhelfen zu neuem Verständnis
Um den Elektrolyseprozess zu optimieren, ist ein besseres Verständnis der grundlegenden chemischen und physikalischen Abläufe essenziell. Die an der Elektrode wachsenden Gasblasen erfahren eine Auftriebskraft, die zum Aufstieg der Blasen führt. Ein den Wissenschaftlern lang bekanntes Problem ist die genaue Vorhersage des Ablösezeitpunkts der Gasblasen von den Elektroden. Bekannt ist ebenfalls, dass durch das Verharren der Blasen an der Elektrode Wärmeverluste entstehen. Mit Laborexperimenten sowie theoretischen Berechnungen konnten die Wissenschaftler jetzt ein besseres Verständnis der auf die Blase wirkenden Kräfte erzielen. „Unsere Forschung löst ein altes Paradoxon der Forschung an Wasserstoffblasen auf“, schätzt Eckert ein.

Bereits in Vorgängerexperimenten beobachteten die Forscher, dass die Wasserstoffblasen in schnelle Schwingungen geraten können. Sie vermaßen dieses Phänomen genauer: Mit einer Hochgeschwindigkeitskamera zeichneten sie den Schattenwurf der Blasen auf und analysierten, wie sich einzelne Blasen hundert Mal pro Sekunde von einer Elektrode lösen können, nur um sofort wieder zu ihr zurückzukehren. Sie erkannten: Hier konkurriert eine bisher nicht betrachtete elektrische Kraft mit dem Auftrieb und ermöglicht so die Schwingungen.

Das Experiment zeigte auch, dass sich zwischen Gasblasen und Elektrode permanent eine Art Teppich aus Mikroblasen bildet. Erst ab einer gewissen Dicke des Teppichs reicht die elektrische Kraft nicht mehr aus und die Blase kann aufsteigen. Dieses Wissen kann nun genutzt werden, um die Effizienz des Gesamtprozesses zu verbessern.

Lesen Sie beim HZDR mehr zu den Ergebnissen, die die Forschendenden in Parabelflug-Experimenten bestätigten. Erfahren Sie außerdem wie die
Wasserelektrolyseure in der Region Anwendung finden. Denn gemeinsame den mit Partnern vom Fraunhofer IFAM Dresden, der TU Dresden, der Hochschule Zittau-Görlitz sowie lokalen Industriepartnern plant das HZDR ein Projekt zur grünen Wasserstoffproduktion in der Lausitz.


Foto ©HZDR/Stephan Floss: Der Hauptautor der Studie, Aleksandr Bashkatov vom HZDR-Institut für Fluiddynamik.

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