Dübendorf. Die Herstellung von grünem Wasserstoff gilt als Schlüsseltechnologie der Energiewende – doch sie ist bislang deutlich teurer als die konventionelle Produktion aus Erdgas. Forschende der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) in Dübendorf arbeiten nun an einem Ansatz, der die Kosten der Elektrolyse erheblich senken könnte: neue, korrosionsbeständige Beschichtungen für zentrale Bauteile der Elektrolyseure.
Im Mittelpunkt der Forschung steht die sogenannte PEM-Elektrolyse (Polymer Electrolyte Membrane Water Electrolysis), ein Verfahren, das Wasser mithilfe erneuerbaren Stroms in Wasserstoff und Sauerstoff spaltet. Zwar gilt diese Technologie als effizient und gut regelbar, doch ihre industrielle Anwendung wird bislang durch hohe Materialkosten und extreme Betriebsbedingungen erschwert.
Extreme Bedingungen im Inneren der Elektrolyseure
Das Problem liegt im Inneren der Anlagen: Die dort herrschenden Bedingungen sind hochkorrosiv. Selbst robuste Metalle werden schnell angegriffen. „Stahl löst sich dort praktisch auf wie Zucker in heißem Tee“, beschreibt Empa-Forscher Konstantin Egorov die Situation. Schon kleinste Metallspuren im hochreinen Wasser können die Effizienz der Elektrolyse deutlich beeinträchtigen.
Aus diesem Grund bestehen zentrale Komponenten bislang aus Titan – einem teuren und schwer zu verarbeitenden Material. Zusätzlich werden viele Bauteile mit Platin beschichtet, um Korrosion zu verhindern. Das treibt die Kosten der Technologie erheblich in die Höhe und gilt als einer der Hauptgründe, warum grüner Wasserstoff aktuell etwa doppelt so teuer ist wie Wasserstoff aus fossilen Quellen.
Titanoxid statt Edelmetalle
Einen möglichen Ausweg sehen die Forschenden in einer speziellen Form von Titanoxid, dem sogenannten hochkristallinen sauerstoffarmen Rutil. Dieses Material kombiniert Leitfähigkeit mit hoher chemischer Stabilität und könnte damit gleich mehrere teure Werkstoffe ersetzen.
Die Idee: Statt Titan und Platin sollen künftig günstigerer Stahl und funktionale Beschichtungen auf Titanoxid-Basis zum Einsatz kommen. Damit ließen sich nicht nur Materialkosten senken, sondern auch neue, effizientere Designs für Elektrolysekomponenten realisieren.
„Stahl ist günstiger und einfacher zu verarbeiten“, so Egorov. Entscheidend sei jedoch, ihn so zu beschichten, dass er den aggressiven Bedingungen im Elektrolyseur dauerhaft standhält.
Industrietaugliche Verfahren im Fokus
Besonderen Wert legen die Forschenden darauf, dass ihre Entwicklungen nicht im Labor enden. Die Beschichtungen werden mit einem industriell etablierten Verfahren hergestellt, der physikalischen Gasphasenabscheidung (PVD). Dieses Verfahren gilt als skalierbar und wird bereits in verschiedenen Branchen eingesetzt.
In ersten Tests zeigte sich die beschichtete sogenannte bipolare Platte bereits als korrosionsbeständig. Weitere Bauteile, darunter poröse Transportschichten, sollen nun ebenfalls optimiert werden. Gerade diese gelten als besonders anspruchsvoll, da die Beschichtung tief in mikroskopisch feine Strukturen eindringen muss, ohne diese zu verstopfen.
Hoffnung auf günstigeren Wasserstoff
Das Projekt, das vom Schweizerischen Nationalfonds und der französischen Forschungsförderagentur ANR unterstützt wird, läuft noch bis 2026. Danach hoffen die Beteiligten, industrielle Partner für die Weiterentwicklung zu gewinnen.
Sollten sich die Ergebnisse im industriellen Maßstab bestätigen, könnte dies die Wirtschaftlichkeit der Elektrolyse deutlich verbessern – und damit einem der zentralen Bausteine der Wasserstoffwirtschaft neuen Schub geben. Denn bislang entscheidet nicht die Idee, sondern vor allem der Preis darüber, ob sich grüner Wasserstoff gegen fossile Alternativen durchsetzen kann.
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