Die Elektrolyse und das Tal des Todes

Von der Grundlagenforschung zur industriellen Anwendung

Trotz einer Fülle von Katalysatorenkandidaten für die Wasserstoff- und Sauerstoffentwicklungs- sowie die CO2-Reduktionsreaktion  hat bisher fast keiner von ihnen das Stadium der Anwendung erreicht – also das vielzitierte “Tal des Todes” erfolgreich durchquert. “Von der Grundlagenforschung zur industriellen Anwendung von Elektrolysetechnologien – oder warum markttaugliche Konzepte von Katalysatoren, Elektroden und Zellen noch Mangelware sind” ist eine Medienmitteilung des Fraunhofer-Instituts für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT vom 14.04.2021 überschrieben.

Siemens-Elektrolyseur (Detail) auf der Intersolar 2018 – Foto © Gerhard Hofmann für Solarify

Mit Elektrolysetechnologien lässt sich grüner Wasserstoff herstellen und Kohlendioxid in Ausgangsstoffe für die chemische Industrie umwandeln, daher sind sie im Rahmen von Klimaschutz, Energie- und Rohstoffwende verstärkt in den Fokus gerückt. Woran es liegt, dass noch kaum ein Material oder Verfahren in die industrielle Anwendung kommt, haben Wissenschaftler*innen der Fraunhofer-Institute UMSICHT, ISE und ICT, der Universität Duisburg-Essen, der Ruhr-Universität Bochum, des Zentrums für BrennstoffzellenTechnik (ZBT) und der dänischen Firma IRD Fuel Cells beleuchtet. Ihre Ergebnisse haben sie unter dem Titel “Crossing the Valley of Death: From Fundamental to Applied Research in Electrolysis” im Journal of American Chemistry Au veröffentlicht.

Eine ihrer wichtigsten Erkenntnisse: Die Entwicklung von Elektrokatalysatoren ist ein Unterfangen, bei dem industrielle und wissenschaftliche Forschung eng zusammenarbeiten müssen. “Noch liegt zwischen diesen beiden Parteien ein tiefes, nahezu unüberwindbares Tal”, erklärt Prof. Ulf-Peter Apfel (Fraunhofer UMSICHT und Ruhr-Universität Bochum). “Diese Lücke entsteht vor allem durch eine Diskrepanz zwischen den in der Grundlagenforschung untersuchten und den unter industriell relevanten Bedingungen benötigten Parametern sowie durch eine fehlende Kommunikation zwischen den verschiedenen Interessengruppen.”

Abstrakt aus Journal of American Chemistry Au
Der wachsende gesellschaftliche und politische Fokus auf den Einsatz umweltfreundlicher Technologien hat in der Wissenschaft zu einem immer größeren Interesse an Elektrolyse-Technologien geführt. Diese Entwicklung spiegelt sich in der Fülle von Katalysatorkandidaten für die Wasserstoff- und Sauerstoffentwicklungsreaktion sowie die CO2-Reduktionsreaktion wider, die in der Literatur beschrieben werden. Allerdings hat bisher fast keiner von ihnen das Stadium der Anwendung erreicht. Ebenso wird in den Berichten zur Verfahrenstechnik nur unzureichend auf die Nutzung dieser Katalysatoren sowie auf möglicherweise markttaugliche Elektroden- und Zellkonzepte eingegangen. Es ist offensichtlich, dass eine engere Zusammenarbeit zwischen Chemikern und Ingenieuren aus Industrie und Wissenschaft wünschenswert ist, um die Entwicklung dieser disruptiven Technologien zu beschleunigen. In diesem Beitrag werden die kritischen Parameter beleuchtet und die notwendigen Aspekte hervorgehoben, um die Entwicklung industriell relevanter Katalysatoren zu beschleunigen, die in der Lage sind, die bevorstehenden Herausforderungen im Zusammenhang mit der Energieumwandlung und -speicherung zu erfüllen. Das Ziel dieser von industriellen und akademischen Partnern zusammengestellten Perspektive ist es, aktuelle Vorhaben kritisch zu hinterfragen und Forscher zu ermutigen, interdisziplinäre Forschungswege zu beschreiten.

Wie das in der Praxis aussieht, zeigen die Wissenschaftler*innen u.a. am Beispiel Katalysatoren. Auf der einen Seite arbeiten Forschungsgruppen weltweit an Hochleistungsmaterialien mit anspruchsvollen Zusammensetzungen, Strukturen und Morphologien. Auf der anderen Seite dominieren vergleichsweise alte bzw. einfache Katalysatoren die technischen und industriellen Anwendungen. Als Ursache werden in der Publikation zwei Punkte identifiziert: sowohl unzureichend entwickelte Patentierungsstrategien als auch die unzureichende Umsetzung vielversprechender Materialien unter realistischen Bedingungen.

Prof. Doris Segets von der Universität Duisburg-Essen: “Bei jedem Projekt, das eine Katalysatorentwicklung beinhaltet, sollte klar definiert werden, ob für einen bestimmten Katalysatorkandidaten tatsächlich eine mögliche technische Anwendung in Betracht gezogen wird oder ob grundlegende Forschungsthemen – z. B. mechanistische Untersuchungen – im Mittelpunkt des Interesses stehen.” Wird eine industrielle Anwendung angestrebt, sollten sich Forschende bestimmte Fragen stellen: Wie komplex oder teuer wäre es beispielsweise, das betrachtete Katalysatorsystem zu produzieren? Lässt sich der Katalysator in ausreichenden Mengen herstellen, um den Bedarf der Industrie zu decken? Und wie sieht es mit der Haltbarkeit des Katalysators während der Lagerung und vor allem im Betrieb aus?

Ähnliche Betrachtungen stellen die Wissenschaftler*innen auch zur Herstellung von Elektroden, zum Zellenaufbau und zu allgemeinen Benchmark-Kriterien an. Am Ende ermuntern sie Forschende, sich über ihr unmittelbares Fachgebiet hinauszuwagen und intensivere Kooperationen sowohl zwischen verschiedenen Disziplinen als auch mit der Industrie zu etablieren. “Die Entwicklung geeigneter Elektrokatalysatoren ist ein interdisziplinäres Unterfangen, bei dem Chemiker*innen, Materialwissenschaftler*innen und Ingenieur*innen entlang der gesamten Entwicklungskette Hand in Hand arbeiten müssen”, lautet die Botschaft. “Wir müssen jetzt gemeinsam handeln, um etwas zu bewirken.” Durch die Industrialisierung der Elektrokatalyse könne die elektrochemische Wasserstofferzeugung – angetrieben durch erneuerbare Energiequellen – eine wichtige Rolle als Schrittmacher zum im Pariser Abkommen COP21 angestrebten Klimaschutz spielen.

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