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20.08.2021 | Werkstoffprüfung + Materialanalyse | Interview | Online-Artikel

"Grüne Materiallösungen für die Wasserstoffwirtschaft"

verfasst von: Dieter Beste

5:30 Min. Lesedauer
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Interviewt wurden:
Dr. Benjamin Balke

ist Projektleiter "Leistungszentrum GreenMat4H2" an der Fraunhofer-Einrichtung für Wertstoffkreisläufe und Ressourcenstrategie (IWKS) in Hanau.

Dr.-Ing. Christoph Bleicher

koordiniert die Wasserstoff-Forschung am Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit (LBF) in Darmstadt.

Wasserstoff gilt als einer der Grundpfeiler für eine klimaneutrale Energie- und Mobilitäts-Zukunft. Was alles zu tun ist, um mit Wasserstoff nachhaltig, effizient und sicher zu wirtschaften, erläutern Christoph Bleicher und Benjamin Balke.

Springer Professional: Die Fraunhofer-Gesellschaft hat kürzlich das Wasserstoff-Leistungszentrum "GreenMat4H2 – Green Materials for Hydrogen" an den Start gebracht. Welche Überlegungen liegen dieser Entscheidung zu Grund und welche Ziele verfolgt das Leistungszentrum?

Dr. Benjamin Balke: Mit GreenMat4H2 schließt die Fraunhofer-Gesellschaft eine bestehende Lücke in der Wasserstoffökonomie. Bis dato gibt es zwar viele Forschungszentren und -verbünde, die sich mit dem Thema Wasserstoff auseinandersetzen. Jedoch fehlte bislang die Betrachtung unter materialwissenschaftlichen, materialtechnologischen sowie Nachhaltigkeitsaspekten. Dies bedeutet konkret die Bewertung von Materialien, Komponenten und sogar ganzen Systemen unter realen Bedingungen. 

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Innerhalb des Leistungszentrums werden daher die eingesetzten Materialien einerseits hinsichtlich ihres ökologischen Fußabdrucks und ihrer Eignung bewertet. Auf der anderen Seite untersuchen wir die Lebensdauer und Zuverlässigkeit Materialien und Komponenten, um so deren Einsatz in effizienten und leistungsfähigen Wasserstoffsystemen zu ermöglichen. Viele der bisher verwendeten Materialien sind in Bezug auf ihre Lebensdauer oder Nachhaltigkeit noch nicht optimiert. Wir wollen daher nachhaltige Alternativen für die eingesetzten Materialien identifizieren und deren schnelle Anwendung in Produktlösungen sicherstellen. Dabei betrachten wir stets den gesamten Lebenszyklus der Produkte und Systeme in der Wasserstoffökonomie, also von der Erzeugung, über Speicherung und Transport, bis hin zur Nutzung und Wiederverwertung. Ziel ist eine nachhaltige, effiziente, sichere und geopolitisch unabhängigere Wasserstoffwirtschaft.

Ist der Umgang mit Wasserstoff immer noch herausfordernd? 

Dr. Christoph Bleicher: Im Zuge der Umsetzung einer Wasserstoffökonomie stellen sich nach wie vor Fragen zu Optimierung von Bauteilen und Systemen. Dies betrifft den Einsatz von kritischen Elementen ebenso wie die Umsetzung von Leichtbaumaßnahmen etwa im Antriebstrang von Brennstoffzellenfahrzeugen. Auch sind viele Anforderungen an den Systemeinsatz nicht geklärt. Jedes System wird im Hinblick auf mechanische und elektrochemische Belastungen anders beansprucht. Wir wollen die Frage beantworten, wie mit Wasserstoff beaufschlagte Systeme beansprucht sind und welche Maßnahmen sich im Hinblick auf Optimierungspotentiale daraus ergeben. Auch bedarf es nach wie vor Untersuchungen für unterschiedlichste polymere und metallische Werkstoffe, um den Einfluss der Wasserstoffversprödung unter unterschiedlichen mechanischen Randbedingungen bewerten zu können. Dies wird dann besonders interessant, wenn nach werkstofflichen und geometrischen Optimierungspotentialen in Wasserstoff-führenden Infrastruktur- und Brennstoffzellenkomponenten gesucht wird. 

Neben der Frage, wie sich Werkstoffe rein experimentell unter Einfluss von Wasserstoff verhalten, betrachten wir auch die Simulation des bauteilgebundenen Werkstoffverhaltens. Stehen Modelle und Methoden für quasi-statische, zyklische und dynamische Beanspruchbarkeiten von Werkstoffen unter Wasserstoffeinfluss fest, lassen sich mit diesen, ausgehend von gemessenen Belastungen am System, schnelle Aussagen über die Wirkung von Werkstoffsubstitutionen treffen. Dies ermöglicht darüber hinaus eine Ableitung von cyber-physikalischen Systemen.

Sind der Transport und die Speicherung von Wasserstoff schon ausreichend sicher? Was sind hier Anforderungen an die weitere Materialforschung und Werkstoffentwicklung?

Bleicher: Systeme werden dann in den Einsatz gebracht, wenn rechnerisch und experimentell die Sicherheit nachgewiesen ist. Interessant ist aber immer, wie Methoden zur Bauteilauslegung und zur Bewertung von Sicherheiten aussehen und wie diese für unterschiedliche Systeme und Werkstoffe anzupassen sind. Dabei spielt insbesondere die Belastung – mechanisch, thermisch, elektrisch, elektrochemisch – aber auch der Einsatzzweck eine Rolle. Am Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit arbeiten wir seit Jahrzehnten daran ein Optimum zwischen der Zuverlässigkeit, der Effizienz, den Kosten und der Lebensdauer des Systems zu beschreiben und dies bei höchstmöglicher Sicherheit. Hier spielen die Bewertungsmethoden und die Werkstoffmodelle aber auch gemessene Werkstoffkennwerte und Ergebnisse einer kontinuierlichen Zustandsüberwachung eine wichtige Rolle. Für die Zukunft sind weitere Untersuchungen nötig, die die Auswirkungen von Wasserstoff auf das Materialverhalten beschreiben. Gleichzeitig steigt der Bedarf daran, dieses Verhalten dann auch numerisch abbilden zu können. Konkret geht es darum die Auswirkungen von Wasserstoff auf Werkstoffe unter Temperatur sowie quasi-statischer, zyklischer und dynamischer Last detaillierter beschreiben zu können. Dies eröffnet uns dann weiteres Potential für die Erhöhung der Systemzuverlässigkeit und -lebensdauer.

Bei der Erzeugung von Wasserstoff in Elektrolyseuren haben Katalysatoren, Elektroden und Membranen eine zentrale Funktion. Welche Überlegungen in Bezug auf die schon erwähnte Nachhaltigkeit und Lebensdauer haben Sie hier und welche Ansätze halten Sie für besonders aussichtsreich? 

Balke: Unsere Forschungsansätze gehen hier in zwei Richtungen: die Substitution kritischer Rohstoffe, zum Beispiel des seltenen Metalls Iridium, oder die Entwicklung ganz neuer Materialien. Iridium ist ein Element, welches aufgrund seines Preises, aber auch der geopolitischen Abhängigkeit, als eher kritisch eingestuft werden kann. Ein erfolgsversprechender Ansatz ist daher die Substitution Iridium-haltiger Elektrodenmaterialien durch weniger kritische Materialien. Iridium ist hierbei nur eines der kritischen Platinmetalle, die wir ersetzen wollen. Eine Versorgung der wachsenden Anzahl an nötigen Elektrolyseuren mit Platin, Ruthenium und Iridium wird keine wirtschaftliche Lösung darstellen. Ebenso können wir uns effizientere und nachhaltige Katalysatoren vorstellen. Hier ist die Gruppe der Perowskite besonders interessant, deren Einsatz wir auch im Fraunhofer-Leitprojekt MaNiTu vorantreiben. 

Als Alternative dazu gibt es aktuell spannende Entwicklungen für neue Konzepte, beispielsweise Solid Oxide Electrolysis Cells (SOECs), die wir auch für unsere ganzheitliche und nachhaltige Betrachtung berücksichtigen. Auch die Verwertung kohlenstoff- und wasserstoffhaltiger biogener Abfallströme mittels Pyrolyse ist eine Option, die wir uns vorstellen können. Hier werden zwei Fliegen mit einer Klappe geschlagen: Auf der einen Seite speichert man den Kohlenstoff als Carbon Nanotubes und macht ihn für eine Weiterverwendung als Feststoff verfügbar. Auf der anderen Seite entsteht dabei Wasserstoff aus einer biogenen und damit nachhaltigen Rohstoffquelle. All diese neuen Materialien und Systeme müssen aber nicht nur in puncto Nachhaltigkeit überzeugen. Ebenso wichtig sind niedrige Kosten, eine lange Lebensdauer, hohe Sicherheit und Effizienz. All diese Aspekte werden im Leistungszentrum untrennbar miteinander verbunden und schaffen so praktikable und direkt einsatzfähige Lösungen für die Industrie.

Um Wasserstoff elektrisch zu nutzen, werden vor allem Brennstoffzellen zur Energiewandlung genutzt. Gibt es neue Erkenntnisse aus der Materialwissenschaft, diese Technologie nachhaltiger zu machen? 

Balke: Ein wichtiger Aspekt ist die Kreislaufführung der Komponenten. So untersuchen wir aktuell bereits verschiedene Recyclingoptionen für Brennstoffzellen. Dies gilt insbesondere für die Membranen aus üblichen PEM-Brennstoffzellen, die oft kritische Elemente wie Ruthenium enthalten und bei herkömmlichen Recyclingverfahren Schadstoffe hervorrufen. Auch hier stellen die oben genannten Solid Oxide Fuel Cells (SOFCs) eine interessante Alternative dar, weil sie keine kritischen Katalysatormaterialien benötigen. Jedoch fehlen eine umfassende Betrachtung, Vergleichbarkeit und Betriebsfestigkeitstests, um den Einsatz als umweltfreundliche Alternative zu ermöglichen. Auch die Skalierung in den Industriemaßstab ist bisher noch mit Herausforderungen verbunden. 
 

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