Key Priorities for Water Electrolyzer Material & Component Innovation

Die Produktion von grünem Wasserstoff steht weiterhin im Mittelpunkt vieler staatlicher und unternehmerischer Dekarbonisierungsstrategien. Der Elektrolyseur ist eine Schlüsseltechnologie, die die Produktion von grünem Wasserstoff durch Aufspaltung von Wassermolekülen in Wasserstoff und Sauerstoff mit Hilfe von erneuerbarem Strom ermöglicht. Viele konzentrieren sich auf den Bedarf an Großanlagen für grünen Wasserstoff und an Produktionsanlagen für Elektrolyseure. Der Material- und Komponenteninnovation wird jedoch auf dem breiteren Markt oft weniger Priorität eingeräumt. Dieser Artikel beleuchtet einige kritische Material- und Komponentenprioritäten für die wichtigsten Elektrolyseurtechnologien anhand der Erkenntnisse aus dem IDTechEx-Bericht "Materialien für die Produktion von grünem Wasserstoff 2024-2034: Technologien, Akteure, Prognosen".

 

 

 

 

Der alkalische Wasserelektrolyseur (AWE) ist eine ausgereifte und hochgradig kommerzialisierte Technologie, die die niedrigsten Systemkapitalkosten und eine vorhersehbare langfristige Leistung bietet. Der AWE-Zellenstapel verwendet einen flüssigen alkalischen Elektrolyten (Kaliumhydroxid, KOH) in Verbindung mit einem porösen Diaphragma und stützt sich auf allgemein verfügbare Materialien wie Nickel und Edelstahl.

 

Eine der größten Herausforderungen bei AWE ist der geringere Wirkungsgrad im Vergleich zur konkurrierenden Technologie - dem Protonenaustauschmembran-Elektrolyseur (PEMEL). Daher haben sich die Entwickler von Elektrolyseur-Technologien und -Materialien auf die Herstellung hochleistungsfähiger katalytischer Beschichtungen für Elektroden konzentriert, um die Umwandlungseffizienz von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zu verbessern. Hochleistungsbeschichtungen sind im Handel erhältlich, aber viele von ihnen beruhen immer noch auf der Verwendung von kritischen Platingruppenmetallen (PGM) wie Ruthenium in Mischoxidbeschichtungen.

 

Die Forschung im Bereich der Elektrodenbeschichtungen hat sich auf die Entdeckung und Anwendung neuer katalytischer Materialien konzentriert. Zu den vielversprechenden Strategien gehört die Kopplung des etablierten Nickels mit anderen Übergangs- und Nichtübergangsmetallen, beispielsweise in NiFeCoP. Darüber hinaus können poröse Elektroden, wie z. B. Nickelnetze, besonders gut mit solchen Beschichtungen gekoppelt werden, wodurch hochgradig nanostrukturierte Katalysatoren entstehen, die eine große Oberfläche für Reaktionen bieten.

 

Wenn diese Elektroden gegen das poröse Diaphragma gepresst werden, kann die Effizienz weiter verbessert werden, da die chemische Spezies eine geringere Distanz zwischen den Reaktionsstellen zurücklegen muss. Dies wird als Null-Lücke-Zellenkonfiguration bezeichnet und ist in kommerziellen AWE-Stacks bereits weit verbreitet. De Nora ist einer der Anbieter von Komponenten für die Zero-Gap-Zelle und fortschrittlichen Elektrodenbeschichtungen und arbeitet mit etablierten AWE-Lieferanten wie McPhy Energy und thyssenkrupp nucera zusammen. IDTechEx geht davon aus, dass die Kombination dieser Material- und Komponentenkonstruktionsstrategien den Wirkungsgrad der AWE weiter verbessern kann, aber es sind noch weitere kommerzielle Anstrengungen in allen Bereichen erforderlich.

 

 

Protonenaustauschmembran-Elektrolyseure (PEMEL) gewinnen aufgrund ihres hohen Wirkungsgrads, ihrer kompakten Bauweise und ihrer Anpassungsfähigkeit an schwankende erneuerbare Energiequellen zunehmend an Bedeutung. Während es eine Bewegung hin zur Standardisierung von Materialien in PEMEL-Stapeln gibt, stagniert die Innovation bei weitem nicht, insbesondere bei der Entwicklung von Anodenkatalysatoren.

 

Platin (Pt) und Iridium (Ir) katalysieren die elektrochemischen Wasserstoff- bzw. Sauerstoffentwicklungsreaktionen, die im Elektrolyseur ablaufen. Als Materialien werden nach dem Stand der Technik Platin auf einem Rußträger (Pt/C) für die Kathode und Iridiumschwarz (Ir) oder Iridiumoxid (IrO_x ) für die Anode verwendet. Die Verwendung von Iridium an der Anode ist besonders problematisch, da Strombelastungen von 1 - 2,5 g/kW und die hohe Nachfrage nach PEMEL-Systemen das weltweite Iridiumangebot erheblich belasten können.

 

Katalysatoranbieter wie Heraeus Precious Metals gehen das Iridium-Problem an, indem sie Iridium mit Ruthenium in einem Mischoxid-Katalysator (IrRuO_x ) verbinden. Angesichts des dringenden Problems der Verringerung der Iridium-Belastung könnte dieses Material in naher Zukunft verstärkt auf den Markt gebracht werden. Eine weitere Strategie, die sowohl in akademischen als auch in unternehmerischen F&E-Gruppen erforscht wird, ist die Verwendung von Iridium-Trägerkatalysatoren, ähnlich dem Pt/C-Ansatz. Darüber hinaus konzentriert sich ein Großteil der Forschung auf die Eliminierung von Iridium zugunsten anderer PGMs, wie Ruthenium, durch dessen Kopplung mit Übergangsmetallen in Mischoxiden. Iridium- und PGM-freie Katalysatoren befinden sich im Allgemeinen noch in einem früheren Entwicklungsstadium. IDTechEx geht davon aus, dass weitere Forschungsanstrengungen erforderlich sind, um ihre Wettbewerbsfähigkeit nachzuweisen und den Weg für eine breite kommerzielle Nutzung zu ebnen.

 

Andere Komponenten des PEM-Elektrolyseurs, wie die Gasdiffusionsschichten (GDL) und die Bipolarplatten, verwenden ebenfalls Edelmetallbeschichtungen und auch Titan. Beide können in Zukunft problematischer werden, weshalb viele Unternehmen neue Herstellungs- und Beschichtungsmethoden erforschen, um den Bedarf an diesen Materialien zu reduzieren. Weitere Informationen finden Sie in einemfrüheren IDTechEx-Forschungsartikel über PEM-Elektrolyseur-Materialien .

 

 

Der Anionenaustauschmembran-Elektrolyseur (AEMEL) ist eine relativ junge, aber wachsende Technologie, die darauf abzielt, das Beste aus der alkalischen und der PEM-Technologie zu kombinieren. AEMEL versucht, den Materialreichtum von AWE mit dem hohen Wirkungsgrad von PEMEL zu verbinden. Diese Technologie erfährt ein schnelles Wachstum und eine rasche Innovation, was durch Unternehmen wie Enapter veranschaulicht wird, die Pionierarbeit für kommerzielle Systeme im Megawattbereich leisten.

 

IDTechEx hat festgestellt, dass viele Forschungsgruppen, die sich mit der AEMEL-Technologie beschäftigen, immer noch Katalysatoren auf Platin- und Iridiumbasis an den Elektroden verwenden. Ein Hauptaugenmerk der Industrie und neuer kommerzieller Anbieter sollte darauf liegen, die Verwendung von Platin- und Iridium-Katalysatoren vollständig zu vermeiden und sich für leistungsstarke Katalysatoren mit Nanostruktur zu entscheiden, die im AWE-Bereich verwendet werden. Darüber hinaus könnte diese Technologie von der Anwendung von Gasdiffusionselektroden (GDEs) profitieren, die die Gasdiffusionsschicht mit der Elektrode in einer einzigen Komponente kombinieren.

 

Ein weiteres Problem ist die große Vielfalt an Materialien für Anionenaustauschermembranen (AEM) und damit auch deren unterschiedliche Leistung und Haltbarkeit. AEMs können von einigen ihrer Strategien profitieren, die im Bereich der Protonenaustauschmembranen (PEM) zu finden sind, wie z. B. die Vernetzung von Polymerketten und die Verwendung von Trägerschichten (z. B. PTFE), auf die die AEM beschichtet werden kann. Die Unterschiede bei den Materialien werden wahrscheinlich bestehen bleiben, aber AEMEL-Entwickler können sich von den aktuellen Entwicklungen bei AWE- und PEMEL-Technologien inspirieren lassen und sie auf ihre eigenen Zell- und Stack-Designs anwenden.

 

 

Der Festoxidelektrolyseur (SOEC) ist ebenfalls eine relativ neue Technologie in der Elektrolyselandschaft, die im Vergleich zu AWE und PEMEL noch nicht so stark auf dem Markt vertreten ist. Der SOEC arbeitet bei viel höheren Temperaturen (>600°C) als die zuvor genannten Niedertemperaturtechnologien (50-90°C) und erfordert daher ganz andere Materialien und Konstruktionsansätze.

 

Die SOEC-Technologie hat massiv von den Materialentwicklungen in der Festoxid-Brennstoffzellentechnologie (SOFC) profitiert, da die meisten Stacks für einen reversiblen Betrieb ausgelegt sind, d. h. entweder als Elektrolyseur (SOEC) oder als Brennstoffzelle (SOFC). Während sich bestimmte keramische Komponenten bereits in der Technologie etabliert haben, ist die Entwicklung neuer Materialien und Elektroden-Elektrolyt-Einheiten in SOECs ein vielversprechender Bereich für Innovationen.

 

Zu den Innovationsprioritäten gehört die Verwendung von Elektrolyten, die niedrigere Betriebstemperaturen ermöglichen und langfristige Stabilität und Kostenvorteile bieten können. Dazu gehört gadoliniumdotiertes Ceriumdioxid (GDC), das bereits in einigen kommerziellen Stacks eingesetzt wird und von Unternehmen wie Ceres Power als Beispiel genannt wird. Ein weiterer Schwerpunkt ist die Verwendung metallgestützter Zellen (MSC), die gegenüber elektroden- oder elektrolytgestützten Zellen, die in kommerziellen Stacks häufiger verwendet werden, mehrere inhärente Vorteile aufweisen. Dazu gehören geringere Materialkosten sowie die Fähigkeit, thermischen Schwankungen und mechanischen Belastungen besser standzuhalten. Darüber hinaus werden viele Anstrengungen unternommen, um die thermische und chemische Kompatibilität der Zellmaterialien mit den Zwischenverbindungen, Kontaktschichten und Dichtungsmitteln zu verbessern.

 

Bei künftigen SOEC-Stacks könnten noch fortschrittlichere Materialien zum Einsatz kommen. Insgesamt gibt es eine breite Palette von Materialien, die in SOEC-Stacks verwendet werden, was nicht nur die Vielfalt der Technologie unterstreicht, sondern auch das Potenzial für Materialinnovationen in diesen Hochtemperatur-Elektrolyseuren zeigt.

 

 

Entwickler von Elektrolyseurtechnologien und -materialien stehen vor zahlreichen Herausforderungen, von denen viele miteinander verbunden sind. So kann beispielsweise eine Verringerung der Dicke der Protonen- oder Anionenaustauschmembran die Effizienz erhöhen, aber auch die Haltbarkeit der Membran verringern. Die Verbesserung der Haltbarkeit durch fortschrittliche Materialien und Fertigungstechniken erhöht hingegen die Herstellungskosten. Folglich gibt es keinen einzigen optimalen Ansatz für die Innovation von Materialien und Komponenten. Dieser Optimierungsprozess eröffnet jedoch bedeutende Geschäftsmöglichkeiten für die Entwicklung anspruchsvollerer Elektrolyseur-Materialien.

 

Der Markt für Elektrolyseur-Komponenten steht kurz vor einer bedeutenden Expansion. Die Prognosen von IDTechEx gehen davon aus, dass der Marktwert bis 2034 einen beeindruckenden Wert von 31,7 Milliarden US-Dollar erreichen wird. Dieses Wachstum wird in erster Linie durch die sich schnell entwickelnde grüne Wasserstoffindustrie angetrieben, in der Elektrolyseure eine entscheidende Rolle spielen. Im Bericht "Materialien für die Produktion von grünem Wasserstoff 2024-2034: Technologien, Akteure, Prognosen" von IDTechEx wird eine gründliche Analyse der aktuellen und zukünftigen Materialien und Komponenten vorgestellt, die in den vier in diesem Artikel besprochenen Elektrolyseurtechnologien verwendet werden. Der Bericht bietet eine Aufschlüsselung der Stack-Herstellungskosten nach Komponenten für AWE-, PEMEL- und SOEC-Stacks. Umfassende Listen von Elektrolyseur-Stacks, Komponenten- und Materiallieferanten sind verfügbar, mit Fallstudien über wichtige kommerzielle Innovationen in der Branche. Darüber hinaus bietet der Bericht detaillierte 10-Jahres-Marktprognosen, die die Nachfrage nach Materialien und Komponenten in Tonnen, Quadratmetern (² ) und Millionen US-Dollar pro Jahr quantifizieren.

 

Weitere Informationen zu diesem IDTechEx-Bericht, einschließlich Beispielseiten zum Herunterladen, finden Sie unter www.IDTechEx.com/GreenHydrogen.