Meerwasserelektrolyse bezeichnet die Aufspaltung von Meerwasser mithilfe elektrischen Stroms in Wasserstoff und Sauerstoff. Im Verbundprojekt SeaEly untersuchten das Fraunhofer-Institut für Windenergiesysteme IWES und das Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM von Oktober 2022 bis März 2026 die direkte Nutzung von Meer- und Brackwasser. Der Ansatz ist insbesondere für küstennahe und Offshore-Anwendungen interessant: Strom aus Windenergieanlagen lässt sich unmittelbar in einen speicher- und transportierbaren Energieträger umwandeln.
Wie viel Wasseraufbereitung ist erforderlich?
Herkömmliche Elektrolyseure benötigen aufwendig aufbereitetes, hochreines Wasser. SeaEly sollte klären, inwieweit Meerwasser als Alternative zu Trink- und Brauchwasser eingesetzt werden kann und welche Prüf- und Testinfrastruktur dafür erforderlich ist. Eine zentrale Frage betrifft den Reinheitsgrad des Wassers und die Belastbarkeit der Geräte.
Dr. Nadine Menzel, Gruppenleiterin Elektrochemie und Analytik am Hydrogen Lab Leuna des Fraunhofer IWES, beschreibt den Untersuchungsansatz: »Die Idee war, zu prüfen, bis zu welchem Reinheitsgrad man das Meerwasser direkt in der Elektrolyse einsetzen kann, ohne die Geräte zu überfordern«.
Wasserstoff aus Meerwasser könnte anschließend beispielsweise als chemischer Rohstoff, für die Energieversorgung oder zur Herstellung von Ammoniak und synthetischen Kraftstoffen genutzt werden. Das vom Fraunhofer IWES koordinierte Projekt war Teil des Ideenwettbewerbs »Wasserstoffrepublik Deutschland«. Neben den beiden Fraunhofer-Instituten waren unter anderem die TU Berlin, die Whitecell Eisenhuth GmbH & Co. KG und das Institut für Seeverkehrswirtschaft und Logistik beteiligt. Die Förderung kam vom Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR).
Membranen trennen Gase und ermöglichen Ionentransport
Für die Elektrolyse von nicht gereinigtem Meerwasser entwickelte das Fraunhofer IFAM neue Membranen und untersuchte sie mit einem modularen elektrochemischen Prüfstand. Die Membran trennt die beiden Reaktionsräume eines Elektrolyseurs und ermöglicht zugleich den Ionentransport, den die elektrochemische Reaktion benötigt. Vereinfacht wirkt sie wie ein sehr feines Sieb: Bestimmte Ionen können passieren, während die entstehenden Gase möglichst voneinander getrennt bleiben.
Bei der Meerwasserelektrolyse erschweren Chloride und andere Inhaltsstoffe diese Aufgabe. Sie können Nebenreaktionen auslösen, Ablagerungen auf Oberflächen bilden sowie Korrosion und Alterung verursachen. Damit rückt die Lebensdauer der einzelnen Komponenten in den Mittelpunkt der Materialprüfung.
Prüfstände erfassen Materialverhalten und Systemeffekte
Mikroskopische Aufnahme einer neu entwickelten Anionenaustauschermembran, die zur Elektrolyse von synthetischem Meerwasser eingesetzt wurde und vielversprechende Ergebnisse für den Einsatz im salzhaltigen Medium zeigt. (Bild: Fraunhofer IFAM)
Der modulare Prüfstand am Fraunhofer IFAM erlaubt Untersuchungen unter unterschiedlichen Betriebsbedingungen. Unterschiedliche Elektrolyte und Zellkonfigurationen lassen sich einsetzen; anschließend können Ablagerungen, Oberflächenveränderungen sowie Korrosions- und Alterungsprozesse gezielt analysiert werden. Materialentwicklung und Prüfung bilden damit eine Grundlage, um die Stabilität der Komponenten unter verschiedenen Belastungen systematisch zu bewerten.
Elektrochemische Messungen werden durch Rasterelektronenmikroskopie, EDX, XPS und TOF-SIMS ergänzt. Diese Verfahren ermöglichen detaillierte Materialanalysen nach den Versuchen. Andreas Brinkmann, Wissenschaftlicher Mitarbeiter aus der Abteilung Adhäsion und Grenzflächenforschung am Fraunhofer IFAM, erläutert: »Man kann so im Prinzip eine Verschleißgeschwindigkeit evaluieren«.
Am Fraunhofer IWES entstand parallel ein größerer, multi-use-fähiger Prüfstand. Dort können unterschiedliche Elektrolysetechnologien und neu entwickelte Komponenten mit Brack- oder Salzwasser untersucht und verglichen werden, darunter PEM-, alkalische und AEM-Elektrolyse. Vielversprechende Materialien lassen sich aus kleineren Messzellen in größere Aufbauten überführen. Neben dem Materialverhalten wird dadurch auch das Zusammenspiel mehrerer Zellen und weiterer Systemkomponenten untersuchbar.
Erste Machbarkeitsuntersuchungen und Infrastruktur für Langzeittests
SeaEly umfasste die Entwicklung von Prüfständen und Komponenten sowie erste Machbarkeitsuntersuchungen. Die geschaffene Infrastruktur ermöglicht nun systematische Langzeituntersuchungen zu Alterung, Korrosion und Ablagerungen sowie zum Einfluss der Elektrolytzusammensetzung auf die Lebensdauer der Komponenten.
Fraunhofer IFAM und Fraunhofer IWES nutzen die Prüfstände bereits über das Projekt hinaus. Weitere Fragestellungen betreffen alternative Wasserquellen und die Eignungsbewertung von Elektrolysekomponenten. Die Anlagen stehen außerdem für Industrieprojekte und externe Anwendungen zur Verfügung.
Häufig gestellte Fragen
Was ist Meerwasserelektrolyse?
Meerwasserelektrolyse bezeichnet die Aufspaltung von Meerwasser mithilfe elektrischen Stroms in Wasserstoff und Sauerstoff. Die direkte Nutzung ist insbesondere für küstennahe und Offshore-Anwendungen interessant, weil Strom aus Windenergieanlagen unmittelbar in einen speicher- und transportierbaren Energieträger umgewandelt werden kann.
Welche Herausforderungen entstehen bei der direkten Elektrolyse von Meerwasser?
Chloride und andere Inhaltsstoffe können Nebenreaktionen auslösen, Ablagerungen bilden sowie Korrosion und Alterung verursachen. Die Membranen müssen zugleich den erforderlichen Ionentransport ermöglichen und die entstehenden Gase möglichst voneinander getrennt halten. Deshalb ist die Lebensdauer der Komponenten ein zentraler Gegenstand der Materialprüfung.
Welche Ergebnisse und Prüfmöglichkeiten hat SeaEly geschaffen?
SeaEly umfasste die Entwicklung von Prüfständen und Komponenten sowie erste Machbarkeitsuntersuchungen. Die geschaffene Infrastruktur ermöglicht systematische Langzeituntersuchungen zu Alterung, Korrosion, Ablagerungen und zum Einfluss der Elektrolytzusammensetzung auf die Lebensdauer. Die Prüfstände werden über das Projekt hinaus genutzt und stehen auch für Industrieprojekte und externe Anwendungen zur Verfügung.
Weitere Informationen finden Sie unter www.fraunhofer.de.
Quelle: Fraunhofer-Gesellschaft