Teamwork für die Energie von morgen

MAXNET Energy vereint Kompetenz von acht MPI und zwei internationalen Partnern

Die Wissenschaftler bringen ihre Spezialkenntnisse ein, um die Wasserelektrolyse als zentralen Baustein der nachhaltigen Energieversorgung effizienter zu machen. Nun sind zusätzlich internationale Partner mit an Bord gegangen.

Den durch Windräder oder Solaranlagen gewonnenen Strom in großem Maßstab speichern zu können – das gilt als wesentliche Voraussetzung, damit die Energiewende gelingt. Einige Start-ups, aber auch große Konzerne arbeiten schon mit „Power to Gas“-Anlagen, die im Prozess der Elektrolyse mit Strom aus erneuerbaren Quellen Wasserstoff erzeugen. Der Vorteil: In dieser Form ist die Energie – anders als der Ökostrom – lagerbar und kann genutzt werden, wenn sie benötigt wird. „Die Elektrolyse von Wasser ist zwar eine etablierte Technik, sie hat aber noch erhebliches Verbesserungspotenzial“, unterstreicht Alexander Auer, Forscher am MPI für chemische Energiekonversion (MPI CEC) in Mülheim a.d.R. und wissenschaftlicher Koordinator von MAXNET Energy.

Der Forschungsverbund tritt nun an, die Elektrolyse von Wasser – also der Erzeugung von Wasserstoff durch die Spaltung von Wasser mit Strom – zu optimieren. Die Partner nehmen die Teilreaktion des Prozesses in den Blick, bei der es derzeit noch die größten Probleme gibt: der Bildung von Sauerstoff. Dabei steht die Industrie derzeit noch vor einer schwierigen Wahl. Entweder sie setzt auf den robusten und leistungsfähigen Katalysator Iridiumdioxid, der sehr teuer ist, oder sie wendet sich kostengünstigen Alternativen zu, die nicht lange halten. Denn die Bedingungen an der Elektrode, an der bei der Wasserspaltung der Sauerstoff entsteht, sind sehr aggressiv, sodass die meisten Materialien angegriffen werden. Aus dem Dilemma teuer und haltbar oder billig und empfindlich möchte MAXNET Energy einen Ausweg finden.

Vielfalt der Fachdisziplinen

Beteiligt sind Wissenschaftler unterschiedlichster Disziplinen – sie arbeiten am MPI CEC und den Max-Planck-Instituten für Eisenforschung (Düsseldorf), Kohlenforschung (Mülheim a.d.R.), Polymerforschung (Mainz), Kolloid- und Grenzflächenforschung (Potsdam), dem Fritz-Haber-Institut der MPG in Berlin, am MPI für Chemische Physik fester Stoffe in Dresden, am MPI für Dynamik komplexer technischer Systeme in Magdeburg sowie am Cardiff Catalysis Institute, Großbritannien, und der University of Virginia, USA. Das Spektrum von Katalyseforschern über Materialwissenschaftler bis zu Regelungstechnikern erklärt sich dadurch, dass sich das Forschungsziel zwar sehr konkret formulieren lässt, die Probleme auf dem Weg dorthin aber sehr facettenreich sind. „Bislang ist nicht einmal klar, warum Iridiumdioxid als Katalysator so gut funktioniert und warum die edelmetallfreien Katalysatoren nicht so gut haltbar sind“, sagt Auer.

Während diese Frage von Katalyseforschern an den MPI geklärt wird, widmen sich die Partner aus Cardiff der strukturellen Vielfalt der Materialien. „Sie können gezielt verschiedene Varianten von Iridiumdioxid herstellen, die wir dann untersuchen“, sagt Auer. Bei der Elektrolyse verändert sich das Material allerdings. Wie sich seine Struktur wandelt und wie ihm die Korrosion zusetzt, hängt auch davon ab, wie die Spannung an der Elektrolysezelle gesteuert wird. Das ist eine Frage der Regelungstechnik und fällt ins Spezialgebiet des MPI für Dynamik komplexer technischer Systeme. Dort sind zudem Experimente in größerem Maßstab möglich; so kommt man der industriellen Realität näher.

Nächste Ziele im Blick

Parallel läuft die Suche nach Alternativen zu Iridiumdioxid, die natürlich erst einmal hergestellt werden müssen. „Die Synthese katalytisch aktiver Substanzen ist eine Stärke der Kollegen von der University of Virginia“, sagt Auer. Die US-Kollegen, die im Frühjahr nun die Kooperationsvereinbarung unterzeichnet haben, sind zudem auf dem Gebiet der Photoelektrokatalyse aktiv. „Damit haben wir bei MAXNET Energy auch die Langzeitperspektive im Blick“, so Auer. Denn die Photoelektrokatalyse würde es ermöglichen, Wasser direkt mit der Energie des Sonnenlichts in Wasserstoff und Sauerstoff zu zerlegen. Der Zwischenschritt über die Stromerzeugung fiele weg. Auch das ist nur mit geeigneten Katalysatoren möglich, an denen die Partner bereits arbeiten.

HER/JE