Industrie + Technik

Gr&uuml;nen Wasserstoff mit erneuerbaren Energien herzustellen, ist derzeit un&ouml;konomisch. Eine neue Methode, um Membran-Elektronen-Einheiten f&uuml;r die Wasserelektrolyse zu fertigen, k&ouml;nnte helfen.
Die geopolitische Energiekrise durch den Ukrainekrieg zeigt: Wir m&uuml;ssen unabh&auml;ngig werden von fossilen Brennstoffen. Zur Energiesouver&auml;nit&auml;t mit nachhaltigen Energiequellen beitragen wollen Gustav Sievers und Arne Birth. Sie entwickeln kosteng&uuml;nstige und umweltfreundliche Membran-Elektroden-Einheiten (MEA, membrane electrode assemblies), um Wasserstoff &uuml;ber Protonenaustauschmembran-Elektrolyse herzustellen (auch PEM-Elektrolyse, PEM = proton exchange membrane). Diese MEAs sind besonders kompakt und flexibel einsetzbar.
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<figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/ZH2F6NsETSeU00HDrTkF">
<figcaption><label>Abb.1: </label>Membran-Elektroden-Einheit (MEA, membrane electrode assembly) von Elementarhy. Foto: Elementarhy</figcaption>
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<h2 type="main">Elektrolyseure herstellen</h2>
Bei der PEM-Elektrolyse entstehen an der Anode aus Wasser Protonen, die durch eine Polymermembran zur Kathode diffundieren und dort zu Wasserstoff reduziert werden. Herzst&uuml;ck eines PEM-Elektrolyseurs ist die MEA. Typischerweise ist das derzeit eine 3-Lagen-MEA, eine beidseitig katalysatorbeschichtete Membran (catalyst coated membrane, CCM). Diese CCMs machen den Produktionsprozess teuer und ineffizient: Erstens dient als Katalysator h&auml;ufig das begrenzt verf&uuml;gbare und teure Edelmetall Iridium. Zweitens sind die MEAs auf Funktion und Defekte zu pr&uuml;fen. Dies geschieht erst, nachdem mehrere MEAs zu einem Stack gestapelt wurden, um die Leistung des Elektrolyseurs zu erh&ouml;hen. Vor dem Stacking werden die CCMs nur visuell gepr&uuml;ft. Fehler ihrer elektrochemischen Funktion werden so erst sp&auml;t im Produktionsprozess erkannt &ndash; die Herstellung wird teurer und dauert l&auml;nger.
Zudem enthalten alle herk&ouml;mmlichen MEAs Per- und Polyfluoralkylsubstanzen (PFAS), die als umwelt- und gesundheitssch&auml;dlich gelten. Im Jahr 2025 sollen PFAS europaweit regulatorisch eingeschr&auml;nkt werden &ndash; sp&auml;testens dann sind alternative Materialien f&uuml;r die protonendurchl&auml;ssigen Membranen zu nutzen.
Birth und Sievers haben Anfang 2024 das Start-up Elementarhy gegr&uuml;ndet (Kasten unten), um MEAs kosteng&uuml;nstiger, nachhaltig und weniger umweltsch&auml;dlich als derzeit genutzte MEAs zu produzieren: Dazu haben sie eine neue Plasmabeschichtungstechnik entwickelt und eine Methode, die MEAs fr&uuml;hzeitig im Produktionsprozess zu testen. Zudem verzichten sie auf PFAS und nutzen stattdessen selbsttragende Katalysatorschichten und kohlenwasserstoffbasierte Membranen. Im Vergleich zu herk&ouml;mmlichen Systemen entstehen dadurch Vorteile.
<h2 type="main">Kosten senken, Effizienz steigern</h2>
Mit der neuen Plasmabeschichtungstechnik lassen sich ultrad&uuml;nne gleichm&auml;&szlig;ige Katalysatorschichten auftragen. Statt weniger Mikrometer bei anderen Produkten ist diese nur wenige Nanometer dick. Durch Verwenden einer tr&auml;gerfreien Katalysatorschicht mit einem hohen Oberfl&auml;che-zu-Volumen-Verh&auml;ltnis sind so nur f&uuml;nf Prozent der Iridiummenge n&ouml;tig, die bei herk&ouml;mmlichen MEAs eingesetzt wird.1)
Die neue MEA von Elementarhy besteht aus f&uuml;nf Lagen: zwei gasdurchl&auml;ssige Elektroden, zwei Katalysatorschichten und eine Membran. Das macht die MEA mechanisch stabil und tr&auml;gt somit zu einer l&auml;ngeren Lebensdauer bei &ndash; in Tests derzeit bereits &uuml;ber 6000 Stunden. Zudem steigert die Lagenstruktur die Effizienz der Umwandlung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff.
Mit einer End-of-Line-Testmethode &ndash; also am Ende des Herstellungsprozesses &ndash; pr&uuml;ft Elementarhy die Qualit&auml;t und Leistung jeder einzelnen MEA, bevor diese in den Elektrolyseur-Stack eingebaut wird. Fehler und Defekte lassen sich so fr&uuml;hzeitig erkennen und beheben &ndash; das senkt die Produktionskosten bei den Elektrolyseurherstellern und erh&ouml;ht die Produktqualit&auml;t.2)
Die kristalline Anordnung, Koordination und Aktivierungsenergien der Katalysatorschicht zwischen Membran und Elektrode wurden untersucht.3) Die Ergebnisse zeigen: Die Iridiumschicht hat ein hohes Oberfl&auml;che-zu-Volumen-Verh&auml;ltnis, und die einzelnen Atome haben im Vergleich zu herk&ouml;mmlichen MEAs einen gr&ouml;&szlig;eren Abstand voneinander, wodurch sich die elektronische Struktur &auml;ndert. Beides verbessert die katalytische Aktivit&auml;t gegen&uuml;ber derzeit verwendeten MEAs.
<h2 type="main">Wie geht es weiter?</h2>
Elementarhy plant, die Produktion der f&uuml;nflagigen MEAs auf ein industrielles Niveau zu bringen. So soll das wesentliche Bauteil der Wasserstoffproduktion kosteng&uuml;nstiger werden, und kritische Rohstoffe wie Iridium sollen zwanzigmal effizienter genutzt werden. In Partnerschaft mit Anlagenbauern und Kunden skaliert Elementarhy die derzeitige Kleinserien-MEA-Produktion. So kann diese stufenweise mit dem Wasserstoffmarkt wachsen, und individuelle Kundenanforderungen sind umsetzbar.
<h2 type="main">Die Autoren</h2>
Arne Birth (oben) und Gustav Sievers haben den Beitrag verfasst. Sie haben das Start-up Elementarhy im Jahr 2024 gegr&uuml;ndet. Birth ist Marketing- und Finanzdirektor und seit 15 Jahren im Energievertrieb t&auml;tig. Er arbeitete unter anderem bei den Konzernen BASF, Gazprom und Sefe. Der promovierte Elektrochemiker Sievers ist Gesch&auml;ftsf&uuml;hrer von Elementarhy, Forscher am Leibniz-Institut f&uuml;r Plasmaforschung und Technologie in Greifswald sowie Mitgr&uuml;nder des Unternehmens Etteliot.<img alt="image" src="https://media.graphassets.com/6fHSJJVTcSWy2jnCoJA3"><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/d6Pu0h81S3eqo7PZmW86">
<h2 type="main">Elementarhy: Kooperationen und Partnerschaften</h2>
Elementarhy hat die neue Technik zum Herstellen von Membran-Elektroden-Einheiten (MEAs) in Kooperationen mit f&uuml;hrenden Forschungsinstituten und industriellen Partnern entwickelt. Bereits seit dem Jahr 2013 wurde die Technik zum Herstellen von MEAs mit Volker Br&uuml;ser vom Leibniz-Institut f&uuml;r Plasmaforschung und Technologie sowie mit der Universit&auml;t Bern und mit Matthias Arenz von der Universit&auml;t Kopenhagen weiterentwickelt. In einem vom Bundesministerium f&uuml;r Bildung und Forschung (BMBF) gef&ouml;rderten Validierungsprojekt hat Elemtarhy das Deutsche Zentrum f&uuml;r Luft- und Raumfahrt (DLR) als Partner hinzugezogen, um die MEAs unter realen Bedingungen zu testen und zu validieren.4&ndash;6) Zudem wird das Unternehmen durch F&ouml;rderprogramme des Bundesministeriums f&uuml;r Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) unterst&uuml;tzt, um die Skalierung der neuen Produktionstechnik zu beschleunigen. Im Jahr 2024 erhielt Elementarhy den Leibniz-Gr&uuml;ndungspreis.<img alt="image" src="https://media.graphassets.com/B4NEVpdzQ2GMeMJRbRFv">Ein Elementarhy-Mitarbeiter testet die Membran-Elektroden-Einheiten (MEAs). Foto: Gustav Sievers / Elementarhy
<ul class="references" cited="no" xml:id="nadc20244145713-bibl-0001">
<li xml:id="nadc20244145713-bib-0001">1 C. Minke, M. Suermann, B. Bensmann, R. Hanke-Rauschenbach, Int. J. Hydrogen Energy 2021, 46, 46, 23581&ndash;23590 doi: 10.1016/j.ijhydene.2021.04.174</li>
<li xml:id="nadc20244145713-bib-0002">2 T. Schmidtgen, Handelsblat 2024, 1, 26</li>
<li xml:id="nadc20244145713-bib-0003">3 G. W. Sievers et al., Nat. Mater. 2021, 20(2), 208, doi: 10.1038 s41563&ndash;020&ndash;0775&ndash;8</li>
<li xml:id="nadc20244145713-bib-0004">4 P. C. Jim&eacute;nez, G. K. H. Wiberg, G. W. Sievers, V. Br&uuml;ser, M. Arenz, J. Mater. Chem. A 2023, 11, 37, 20129 doi: 10.1039/d3ta04136k</li>
<li xml:id="nadc20244145713-bib-0005">5 P. Collantes Jim&eacute;nez, G. Sievers, A. Quade, V. Br&uuml;ser, R. K. Pittkowski, M. Arenz, J. Power Sources 2023, 569, 3 doi: 10.1016/j.jpowsour.2023.232990.</li>
<li xml:id="nadc20244145713-bib-0006">6 A. W. Jensen et al., J. Mater. Chem. A 2020, 8, 1066&ndash;1071, doi: 10.1039/c9ta12796h</li>
</ul>

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Als ich die etwa 10 000 Bände der wissenschaftlichen Privatbibliothek meines Vaters durchsehe, fällt mir ein kleiner Tagungsband der Notgemeinschaft der Deutschen Wissenschaft aus dem Jahr 1950 in die Hände: Vom Geist der Deutschen Wissenschaft. Im Schlusswort der Tagung sprach Heisenberg von drei traditionell starken Verbindungen: der Verbindung von Forschung und Wirtschaft, der von Forschung und Lehre sowie der der Wissenschaften untereinander. Als besonders bedeutend hob er hervor, dass in Optik und Chemie Forschung und Wirtschaft stark verknüpft sind.Die wichtigste Verbindung zwischen Forschung und Chemiewirtschaft sind heute die vielen Promovierten, die in der chemischen Industrie arbeiten. Eine kleine Gruppe dieser Promovierten unterstützt aus der Wirtschaft heraus die Hochschullehre. Für uns Lehrbeauftragte und Honorarprofessoren hat das Semester gerade wieder begonnen.Manchmal, in guten Zeiten, wird Lehrtätigkeit in den Unternehmen als Teil der Corporate Social Responsibility (CSR) – deren gesellschaftlicher Verantwortung – gesehen und ist Teil des Jobs. Meist ist die Lehre aber eine Nebentätigkeit. Nach Zugriff des Fiskus bleibt von der Vergütung pro Stunde etwa so viel übrig wie bei meinem studierenden Sohn an der Tankstelle. Was ist also die Motivation? Ist es der Titel, der Wunsch, ein „Erbe für die eigenen Fragen“ zu finden, wie Bundespräsident Heuss es im Büchlein aus dem Jahr 1950 formulierte? Oder ist es einfach die Erkenntnis, dass die jungen Menschen im Beruf schneller erfolgreich sind, wenn sie bestimmte Dinge schon einmal gehört haben – besonders an Hochschulen für angewandte Wissenschaften, da hier bei den Studierenden häufig auf den Abschluss direkt der Berufseinstieg folgt.Können wir aus der Wirtschaft Wissen überhaupt gut vermitteln? Es handelt sich in den meisten Fällen um Lehre in knapp bemessener Freizeit. Die vielfältigen Angebote der Hochschulen, Lehre zu lernen, können wir aus Zeitmangel oft nicht nutzen. Es müsste Angebote speziell für Lehrende aus der Wirtschaft geben. Ob die Zielgruppe wohl groß genug ist, um es auf die Tagesordnung der Fortbildungskommission der GDCh zu schaffen?Menschen mit Lehraufträgen – ob haupt- oder nebenamtlich – beeinflussen junge Menschen. Sollten Honorarkräfte aufgrund ihrer Erfahrung nicht auch beim Curriculum an den Hochschulen mitreden, an denen sie lehren? Gibt es irgendwo regelmäßig einen strukturierten Austausch zwischen hauptberuflichen und Honorarlehrkräften an den Hochschulen? Über Antworten würde ich mich freuen!Rolf Albach leitet F+E-Projekte für Kreislaufwirtschaft, Automobilinnenraum und Flammschutz. Zudem lehrt er mit einem Master of Business Administration an der Fachhochschule Aachen. Der Vorsitzende der GDCh-Vereinigung Chemie und Wirtschaft führt uns mit dieser Kolumne im Wechsel mit Hannes Utikal und Stephan von Delft durch die Welt der Wirtschaftschemie.

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