Meer- und Brackwasser könnten künftig als alternative Wasserressourcen für die Wasserstoffproduktion dienen. Herkömmliche Elektrolyseure benötigen aufwendig aufbereitetes hochreines Wasser. Im Projekt SeaEly stellen das Fraunhofer-Institut für Windenergiesysteme IWES und das Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM die Frage: Wie geeignet sind Meer- und Brackwasser für die Wasserstoffproduktion, und welche Prüf- und Testinfrastruktur wird benötigt, um dies zu untersuchen?
Das Projekt SeaEly
Die direkte Nutzung von Meer- oder Brackwasser ist insbesondere für küstennahe und Offshore-Anwendungen interessant. Wird der Strom von Windenergieanlagen unmittelbar in Wasserstoff umgewandelt, entsteht ein speicher- und transportierbarer Energieträger. Er kann anschließend beispielsweise als chemischer Rohstoff, für die Energieversorgung oder zur Herstellung von Ammoniak und synthetischen Kraftstoffen eingesetzt werden.
Das vom Fraunhofer IWES koordinierte Verbundprojekt SeaEly untersuchte als Teil des Ideenwettbewerbs »Wasserstoffrepublik Deutschland« von Oktober 2022 bis März 2026 die direkte Elektrolyse von Meer- und Brackwasser zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff. Beteiligt waren unter anderem die TU Berlin, die Whitecell Eisenhuth GmbH & Co. KG und das Institut für Seeverkehrswirtschaft und Logistik. Gefördert wurde das Projekt vom Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR).
»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. Andreas Brinkmann, Wissenschaftlicher Mitarbeiter aus der Abteilung Adhäsion und Grenzflächenforschung am Fraunhofer IFAM, erklärt: »Am Fraunhofer IFAM haben wir für die Elektrolyse von nicht gereinigtem Meerwasser neue Membranen entwickelt und mit einem modularen elektrochemischen Prüfstand untersucht.«
Rolle der Membran bei der Elektrolyse
Bei der Wasserelektrolyse wird Wasser mithilfe elektrischen Stroms in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten. Die Membran trennt die beiden Reaktionsräume und ermöglicht gleichzeitig den für die elektrochemische Reaktion notwendigen Ionentransport. Vereinfacht wirkt sie wie ein sehr feines Sieb, durch das bestimmte Ionen passieren können, während die entstehenden Gase möglichst voneinander getrennt bleiben.
Beim Einsatz von Meerwasser wird diese Aufgabe anspruchsvoll. Chloride und andere Inhaltsstoffe können Nebenreaktionen auslösen, sich auf Oberflächen ablagern oder Korrosion und Alterung verursachen. Brinkmann: »Je unreiner wir mit unserem Elektrolyten werden, desto mehr stellt sich die Frage, wie lange halten unsere einzelnen Komponenten?«
Am Fraunhofer IFAM können dafür unterschiedliche Elektrolyte und Zellkonfigurationen eingesetzt werden. Rasterelektronenmikroskopie, EDX, XPS und TOF-SIMS ermöglichen detaillierte Analysen der Materialien nach den Versuchen. »Man kann so im Prinzip eine Verschleißgeschwindigkeit evaluieren«, sagt Brinkmann.
Am Fraunhofer IWES entstand parallel ein größerer, multi-use-fähiger Prüfstand. »Dort lassen sich unterschiedliche Elektrolysetechnologien und neu entwickelte Komponenten mit Brack- oder Salzwasser untersuchen und vergleichen – darunter PEM-, alkalische und AEM-Elektrolyse«, erläutert Menzel.
Ausblick: Langzeituntersuchungen
Im Projekt wurden Prüfstände und Komponenten für die Untersuchung der Elektrolyse mit Meer- und Brackwasser entwickelt sowie erste Machbarkeitsuntersuchungen durchgeführt. Die geschaffene Infrastruktur ermöglicht nun systematische Langzeituntersuchungen. Im Fokus stehen Alterung, Korrosion und Ablagerungen sowie der Einfluss der Elektrolytzusammensetzung auf die Lebensdauer der Komponenten.
Die Prüfstände werden an beiden Instituten bereits über das Projekt hinaus für weitere Fragestellungen eingesetzt, etwa die Untersuchung alternativer Wasserquellen oder die Eignungsbewertung von Elektrolysekomponenten. Sie stehen zudem für Industrieprojekte und externe Anwendungen zur Verfügung.
