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Wenn in naher Zukunft Schiffe die Weltmeere befahren, die von grünem Wasserstoff angetrieben werden, haben auch Kieler Wissenschaftler ihren Beitrag dazu geleistet. Ein Forschungsteam der HAW Kiel und der Uni Kiel arbeitet zurzeit gemeinsam mit dem Unternehmen Phi-Stone AG daran, die Wasserstoffgewinnung durch die Kapillarelektrolyse zu optimieren und letztlich kostengünstiger zu machen. Die Steigerung der Effizienz soll durch innovative Materialien für die Membran und eine intelligentere elektronische Steuerung erreicht werden. Das CAPTN Energy-Projekt „Innovative Materialien und Stromversorgungen für die Wasserstoffelektrolyse“ erhält über 870 000 Euro vom Bundesforschungsministerium.
Die Internationale Seeschifffahrts-Organisation der Vereinten Nationen (IMO) hat ein klares Ziel formuliert: Bis zum Jahr 2050 sollen die Flotten ihrer 176 Mitgliedsländer klimaneutral sein, bis 2030 bereits 40 Prozent. Ein ehrgeiziges Vorhaben, denn noch 2024 fuhren 98,8 Prozent der Schiffe mit herkömmlichen fossilen Brennstoffen. Die maritime Wirtschaft muss also künftig klimaneutrale Energieträger nutzen. Die Umwandlung von erneuerbaren Energien in grünen Wasserstoff mittels Elektrolyse ist für die maritime Energiewende besonders attraktiv. Der so erzeugte Wasserstoff kann in Form von Brennstoffzellen Schiffe antreiben oder in andere nachhaltige Kraftstoffe umgewandelt werden. Das Problem: Der Bedarf ist riesig und die Herstellung des Wasserstoffs noch teuer und ineffizient.
Neue Materialkonzepte sollen Kapillarelektrolyse in industriellem Maßstab ermöglichen
Das CAPTN Energy Projekt „Innovative Materialien und Stromversorgungen für die Wasserstoffelektrolyse“ setzt genau dort an. Die Kooperationspartner HAW Kiel und CAU Kiel wollen in Zusammenarbeit mit der in Mielkendorf bei Kiel ansässigen Phi-Stone AG effiziente Materialien und Stromversorgungslösungen für das Verfahren der Kapillarelektrolyse entwickeln. Bei der Kapillarelektrolyse wird eine Elektrolysezelle genutzt, die Wasserstoff und Sauerstoff durch eine poröse, hydrophile Membran erzeugt. Die konventionelle Elektrolyse hat einen Wirkungsgrad zwischen 60 und 80 Prozent, die Kapillarelektrolyse verspreche Wirkungsgrade weit über 90 Prozent, erklärt Prof. Dr. Rainer Adelung, Leiter der Arbeitsgruppe für Funktionale Nanomaterialien am Institut für Materialwissenschaft der CAU. Dieses Verfahren sei schon sehr effizient: „Es wurde zunächst aber nur als Forschungskonzept vorgestellt. Wir benötigen für die Kapillarelektrolyse neue hochskalierbare Materialkonzepte, die die kosteneffiziente Elektrolyse in industriellem Maßstab ermöglichen. Diese wollen wir Rahmen des Projektes entwickeln.“
Galliumnitrid-Leistungshalbleiter sollen Elektrolysezelle effizienter steuern
Eine weitere Stellschraube für mehr Effizienz und damit eine kostengünstigere Produktion von Wasserstoff liegt in der Steuerung der Elektrolysezelle, die die notwendige Spannung für den Elektrolyseprozess erzeugt. Gesamtprojektleiter Ulf Schümann (HAW Kiel) wird im Rahmen des Projekts die Steuerung entwickeln. Schümann untersucht, inwieweit eine Pulsung der Spannung die Effizienz der Elektrolysezelle steigern kann. Der Professor für Leistungselektronik und elektrische Antriebe setzt dabei auf Galliumnitrid-Leistungshalbleiter. „Bisher werden Silizium basierte Leistungshalbleiter eingesetzt. Galliumnitrid als Material hat das Potential, sehr viel effizienter zu sein, da es einen deutlich geringeren Durchlasswiderstand besitzt“, erklärt Schümann.
Die Kosten pro Kilogramm Wasserstoff und damit die Effizienz der Wertschöpfungskette bei der Erzeugung von Wasserstoff seien entscheidend für das Gelingen der Energiewende, betont Schümann. Zurzeit werden ca. 52,5 kWh elektrischer Energie pro Kilogramm Wasserstoff benötigt. Die Kapillarelektrolyse verspricht eine Reduktion des Energiebedarfes auf unter 42 kWh pro Kilogramm Wasserstoff. „Dies senkt den Energieverbrauch um 20 Prozent“, erklärt Schümann. Das hat natürlich eine direkte Auswirkung auf die Kosten der Wasserstoffproduktion und den Wasserstoffpreis.
Industriepartner steuert tetrapodales Zinkoxid bei
Dritter Projektpartner ist die Phi-Stone AG, ein aus der Technischen Fakultät der CAU ausgegründetes Unternehmen. Der Industriepartner, erklärt der Leiter der Forschungs- und Entwicklungsabteilung Dr. Daniel Hugenbusch, wird die zu entwickelnden, skalierbaren Kapillarmaterialien produzieren: „Die Phi-Stone AG stellt unter Reinraumbedingungen im hochskalierten Maßstab sogenanntes tetrapodales Zinkoxid her, das aufgrund seiner herausragenden antimikrobiellen Eigenschaften in Medizin- und Kosmetikprodukten Verwendung findet. Unter technischen Gesichtspunkten ergeben sich weitere Anwendungsgebiete, da das tetrapodale Zinkoxid als Templatematerial, also Formgeber, die Grundlage für eine Vielzahl innovativer Materialien ist. Diese Eigenschaften werden wir im Rahmen dieses Projektes für die parallel entwickelten Elektrodenmaterialien ausnutzen.“
Bund und Land unterstützen das CAPTN Energy-Projekt
Das Kieler CAPTN Energy-Projekt „Innovative Materialien und Stromversorgungen für die Wasserstoffelektrolyse“ wird im Rahmen des WIR!-Programms vom Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt mit rund 870 000 Euro gefördert. Das Ministerium für Energiewende, Klimaschutz Umwelt und Natur des Landes Schleswig-Holstein beteiligt sich mit einer Co-Finanzierung. Das Projekt hat eine Laufzeit von drei Jahren.
ulf.schuemann@haw-kiel.de
ra@tf.uni-kiel.de
Prof. Dr. Ulf Schümann vom Fachbereich Informatik und Elektrotechnik der HAW Kiel möchte mit Gallium ...
Source: HAW Kiel
Copyright: HAW Kiel
Prof. Dr. Rainer Adelung möchte neue hochskalierbare Materialkonzepte entwickeln, die die kosteneffi ...
Source: Julia Siekmann/Uni Kiel
Copyright: Julia Siekmann/Uni Kiel
Criteria of this press release:
Business and commerce, Journalists, Scientists and scholars
Electrical engineering, Energy, Materials sciences
transregional, national
Cooperation agreements, Research projects
German
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