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HZDR-Experiment liefert wichtige Ansätze, um die Wasserelektrolyse zu optimieren

09.12.2019

Mit Experimenten im Labor und während einer Parabelflug-Kampagne hat ein internationales Forscherteam des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) neue Einsichten zur Wasserelektrolyse erzielt, bei der Wasserstoff aus Wasser durch elektrische Energie erzeugt wird. Für die Energiewende könnte die Wasserelektrolyse eine Schlüsseltechnologie sein, allerdings muss sie dafür noch effizienter werden. Die kürzlich in der Fachzeitschrift „Physical Review Letters“ veröffentlichten Ergebnisse bieten einen möglichen Ausgangspunkt, um die Ökobilanz wasserstoffbasierter Technologien zu verbessern.

Damit überschüssiger Strom aus Spitzenausbeuten von Solar- und Windkraftanlagen nicht ungenutzt bleibt, sind praktikable Lösungen notwendig, um die Energie zwischenzuspeichern.


Der Hauptautor der Studie, Aleksandr Bashkatov vom HZDR-Institut für Fluiddynamik.

HZDR / Stephan Floss

Eine attraktive Möglichkeit bietet die Produktion von Wasserstoff, aus dem dann auch andere chemische Energieträger hergestellt werden können. Wichtig ist, dass dies möglichst effizient und damit kostengünstig geschieht.

Das Forscherteam am HZDR unter Leitung von Prof. Kerstin Eckert hat sich speziell mit der Wasserelektrolyse beschäftigt. Diese Methode nutzt elektrische Energie, um Wassermoleküle in ihre Bestandteile – Wasserstoff und Sauerstoff – zu zerlegen. Dafür wird in einem mit Wasser und etwas Lauge oder Säure gefüllten Gefäß Strom über zwei Elektroden angelegt.

Während sich an der einen Elektrode gasförmiger Wasserstoff bildet, entsteht an der anderen Elektrode Sauerstoff. Die Energieumwandlung ist jedoch nicht verlustfrei. Praktisch werden je nach Elektrolyseverfahren heute erst Wirkungsgrade von rund 65 bis 85 Prozent erreicht. Ziel der Elektrolyseforschung ist es, die Werte durch bessere Verfahren auf rund 90 Prozent zu steigern.

Schwingende Gasblasen aus Wasserstoff verhelfen zu neuem Verständnis
Um den Elektrolyseprozess zu optimieren, ist ein besseres Verständnis der grundlegenden chemischen und physikalischen Abläufe essenziell. Die an der Elektrode wachsenden Gasblasen erfahren eine Auftriebskraft, die zum Aufstieg der Blasen führt.

Ein den Wissenschaftlern lang bekanntes Problem ist die genaue Vorhersage des Ablösezeitpunkts der Gasblasen von den Elektroden. Bekannt ist ebenfalls, dass durch das Verharren der Blasen an der Elektrode Wärmeverluste entstehen. Mit Laborexperimenten sowie theoretischen Berechnungen konnten die Wissenschaftler jetzt ein besseres Verständnis der auf die Blase wirkenden Kräfte erzielen. „Unsere Forschung löst ein altes Paradoxon der Forschung an Wasserstoffblasen auf“, schätzt Eckert ein.

Bereits in Vorgängerexperimenten beobachteten die Forscher, dass die Wasserstoffblasen in schnelle Schwingungen geraten können. Sie vermaßen dieses Phänomen genauer: Mit einer Hochgeschwindigkeitskamera zeichneten sie den Schattenwurf der Blasen auf und analysierten, wie sich einzelne Blasen hundert Mal pro Sekunde von einer Elektrode lösen können, nur um sofort wieder zu ihr zurückzukehren. Sie erkannten: Hier konkurriert eine bisher nicht betrachtete elektrische Kraft mit dem Auftrieb und ermöglicht so die Schwingungen.

Das Experiment zeigte auch, dass sich zwischen Gasblasen und Elektrode permanent eine Art Teppich aus Mikroblasen bildet. Erst ab einer gewissen Dicke des Teppichs reicht die elektrische Kraft nicht mehr aus und die Blase kann aufsteigen. Dieses Wissen kann nun genutzt werden, um die Effizienz des Gesamtprozesses zu verbessern.

Parabelflüge bestätigen Ergebnisse
Um ihre Ergebnisse zu untermauern, wiederholten die Forscher das Experiment während eines DLR-geförderten Parabelflugs. Auf diese Weise konnten sie prüfen, wie Veränderungen des Auftriebs die Dynamik der Gasblasen beeinflussen.

„Durch die veränderte Schwerkraft während einer Parabel konnten wir physikalische Schlüsselparameter variieren, die wir im Labor nicht beeinflussen können“, erläutert Aleksandr Bashkatov, Doktorand am HZDR und Erstautor der jetzt veröffentlichten Studie, der mit weiteren Kollegen die Experimente an Bord des Parabelflugs durchgeführt hat.

In Perioden der annähernden Schwerelosigkeit im freien Fall eines Parabelflugs ist der Auftrieb praktisch nicht vorhanden – zum Ende der Parabel hin ist er hingegen deutlich erhöht. Die Ergebnisse der Flüge zeigten auch, dass sich Wasserstofftechnologien nur erschwert auf einen möglichen Einsatz im Weltall übertragen lassen; ohne Auftrieb ist der Abtransport der Gasblasen von der Elektrode eine noch größere Herausforderung als auf der Erde.

Wasserelektrolyseure in der Anwendung: Regenerative Energien für die Region
Auch wenn die Experimente des Forscherteams unter vereinfachten Laborbedingungen stattfinden mussten, werden die neuen Erkenntnisse zukünftig dazu beitragen, den Wirkungsgrad von Elektrolyseuren zu erhöhen.

Aktuell planen die Forscher um Kerstin Eckert im Verbund mit Partnern vom Fraunhofer IFAM Dresden, der TU Dresden, der Hochschule Zittau-Görlitz sowie lokalen Industriepartnern ein Projekt zur grünen Wasserstoffproduktion in der Lausitz, das auf verbesserte, alkalische Wasserelektrolyse setzt, um fossile Energieträger abzulösen.

„Alkalische Elektrolyseure sind deutlich preiswerter und ökologischer und kommen ohne knappe Ressourcen aus, da sie auf edelmetallbeschichtete Elektroden verzichten. Langfristiges Ziel des Konsortiums ist es, leistungsfähige alkalische Elektrolyseure einer neuen Generation zu entwickeln“, fasst Eckert zusammen.

Publikation:
A. Bashkatov, S. S. Hossain, X. Yang, G. Mutschke, K. Eckert: Oscillating hydrogen bubbles at Pt microelectrodes, Physical Review Letters, 2019 (DOI: 10.1103/PhysRevLett.123.214503)

Weitere Informationen:
Dr. Gerd Mutschke | Prof. Kerstin Eckert
Institut für Fluiddynamik am HZDR
Tel.: +49 351 260-2480 | -3860
Mail: g.mutschke@hzdr.de | k.eckert@hzdr.de

Medienkontakt:
Dr. Christine Bohnet | Pressesprecherin und Leitung HZDR-Kommunikation
Tel.: +49 351 260 2450 oder +49 160 969 288 56

Das Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) forscht auf den Gebieten Energie, Gesundheit und Materie. Folgende Fragestellungen stehen hierbei im Fokus:
• Wie nutzt man Energie und Ressourcen effizient, sicher und nachhaltig?
• Wie können Krebserkrankungen besser visualisiert, charakterisiert und wirksam behandelt werden?
• Wie verhalten sich Materie und Materialien unter dem Einfluss hoher Felder und in kleinsten Dimensionen?
Das HZDR entwickelt und betreibt große Infrastrukturen, die auch von externen Messgästen genutzt werden: Ionenstrahlzentrum, Hochfeld-Magnetlabor Dresden und ELBE-Zentrum für Hochleistungs-Strahlenquellen.
Es ist Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft, hat fünf Standorte (Dresden, Freiberg, Grenoble, Leipzig, Schenefeld bei Hamburg) und beschäftigt knapp 1.200 Mitarbeiter – davon etwa 500 Wissenschaftler inklusive 170 Doktoranden.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Dr. Gerd Mutschke | Prof. Kerstin Eckert
Institut für Fluiddynamik am HZDR
Tel.: +49 351 260-2480 | -3860
Mail: g.mutschke@hzdr.de | k.eckert@hzdr.de

Originalpublikation:

A. Bashkatov, S. S. Hossain, X. Yang, G. Mutschke, K. Eckert: Oscillating hydrogen bubbles at Pt microelectrodes, Physical Review Letters, 2019 (DOI: 10.1103/PhysRevLett.123.214503)

Weitere Informationen:

https://www.hzdr.de/presse/green_hydrogen

Dr. Christine Bohnet | Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf

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