Meer- und Brackwasser rücken als alternative Wasserressourcen für die Wasserstoffproduktion in den Fokus. Im Verbundprojekt SeaEly haben das Fraunhofer-Institut für Windenergiesysteme IWES und das Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM untersucht, wie geeignet ungereinigte salzhaltige Wässer für die Elektrolyse sind und welche Prüf- und Testinfrastruktur dafür benötigt wird. Ziel ist es, den Aufwand für die Wasseraufbereitung zu verringern und damit insbesondere küstennahe sowie Offshore-Anwendungen zu erleichtern.
Wird Strom aus Windenergieanlagen direkt zur Elektrolyse genutzt, lässt sich Wasserstoff unmittelbar vor Ort erzeugen und anschließend speichern, transportieren oder als chemischer Rohstoff weiterverwenden. SeaEly lief von Oktober 2022 bis März 2026 im Rahmen des Ideenwettbewerbs »Wasserstoffrepublik Deutschland«. Beteiligt waren neben Fraunhofer IWES und Fraunhofer IFAM auch die TU Berlin, Whitecell Eisenhuth und das Institut für Seeverkehrswirtschaft und Logistik.
Prüfstände für salzhaltige Elektrolyte
Im Zentrum des Projekts stand die Frage, bis zu welchem Reinheitsgrad Meerwasser direkt in der Elektrolyse eingesetzt werden kann. »Die Idee war, zu prüfen, bis zu welchem Reinheitsgrad man das Meerwasser direkt in der Elektrolyse einsetzen kann, ohne die Geräte zu überfordern«, sagt Dr. Nadine Menzel, Gruppenleiterin Elektrochemie und Analytik am Hydrogen Lab Leuna des Fraunhofer IWES.
Am Fraunhofer IFAM wurden dafür neue Membranen für die Elektrolyse von nicht gereinigtem Meerwasser entwickelt und an einem modularen elektrochemischen Prüfstand untersucht. Der Aufbau erlaubt es, Materialien unter unterschiedlichen Betriebsbedingungen zu testen und anschließend gezielt auf Ablagerungen, Oberflächenveränderungen sowie Korrosions- und Alterungsprozesse zu analysieren. Ergänzend kommen Verfahren wie Rasterelektronenmikroskopie, EDX, XPS und TOF-SIMS zum Einsatz. Andreas Brinkmann vom Fraunhofer IFAM beschreibt die Herausforderung so: »Je unreiner wir mit unserem Elektrolyten werden, desto mehr stellt sich die Frage, wie lange halten unsere einzelnen Komponenten?«
Membranen und Langzeitverhalten im Fokus
Eine zentrale Rolle in der Wasserelektrolyse spielt die Membran. Sie trennt die Reaktionsräume für Wasserstoff und Sauerstoff und ermöglicht zugleich den notwendigen Ionentransport. Gerade bei Meerwasser erschweren Chloride und weitere Inhaltsstoffe den Betrieb, weil sie Nebenreaktionen auslösen, Ablagerungen fördern oder Korrosion und Alterung beschleunigen können.
Parallel entstand am Fraunhofer IWES ein größerer, multi-use-fähiger Prüfstand. Dort lassen sich unterschiedliche Elektrolysetechnologien und neu entwickelte Komponenten mit Brack- oder Salzwasser vergleichen, darunter PEM-, alkalische und AEM-Elektrolyse. Vielversprechende Materialien können so aus kleinen Messzellen in größere Aufbauten überführt werden, um neben dem Materialverhalten auch das Zusammenspiel mehrerer Zellen und weiterer Systemkomponenten zu bewerten.
Im Projekt wurden damit die Grundlagen für weiterführende Langzeituntersuchungen geschaffen. Künftig stehen vor allem Alterung, Korrosion, Ablagerungen und der Einfluss der Elektrolytzusammensetzung auf die Lebensdauer der Komponenten im Mittelpunkt. Die entwickelten Prüfstände werden bereits über SeaEly hinaus genutzt und stehen auch für Industrieprojekte sowie externe Anwendungen zur Verfügung.