An der TU Berlin dreht sich ein Forschungsprojekt um eine ungewöhnliche Frage: Muss Wasser für die Elektrolyse wirklich beinahe makellos rein sein? Das Verbundprojekt „SeaEly – Direct Seawater Electrolysis to produce H₂ and O₂“ untersuchte von Oktober 2022 bis März 2026, wie sich Meer- und Brackwasser direkt zur Herstellung von Wasserstoff und Sauerstoff nutzen lässt.

Koordiniert wurde SeaEly vom Fraunhofer IWES. Beteiligt waren unter anderem das Fraunhofer IFAM, die Technische Universität Berlin, die Whitecell Eisenhuth GmbH & Co. KG und das Institut für Seeverkehrswirtschaft und Logistik. Das Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) förderte das Projekt; Projektträger war PtJ. SeaEly gehörte zum Ideenwettbewerb „Wasserstoffrepublik Deutschland“.

Wenn Salz zum Störfaktor wird

Grüner Wasserstoff gilt als Baustein der Energiewende. Herkömmliche Elektrolyseverfahren sind allerdings kosten- und energieintensiv, weil sie bislang hochreines Wasser benötigen – meist verbunden mit einer aufwendigen Entsalzung. SeaEly nahm deshalb Wasserqualitäten ins Visier, die in der Praxis deutlich mehr mitbringen als nur H₂O: Meer- und Brackwasser enthalten Salze, organische Bestandteile und Schwebstoffe.

Bei der Wasserelektrolyse spaltet elektrischer Strom Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff. Eine Membran trennt die beiden Reaktionsräume, ermöglicht den nötigen Ionentransport und lässt bestimmte Ionen passieren, während sie die entstehenden Gase möglichst voneinander fernhält. Chloride und andere Inhaltsstoffe aus dem Meerwasser können dabei Nebenreaktionen auslösen, sich auf Oberflächen ablagern sowie Korrosion und Alterung verursachen.

Die zentrale Frage lautete daher: Bis zu welchem Reinheitsgrad kann Meerwasser direkt eingesetzt werden, ohne die Anlagen zu überlasten? Und kann es eine Alternative zu Trink- und Brauchwasser werden? Mit zunehmender Verunreinigung des Elektrolyten rückt die Lebensdauer der einzelnen Komponenten in den Mittelpunkt.

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Membranen unter Dauerstress

Das Fraunhofer IFAM entwickelte gemeinsam mit Forschungs- und Industriepartnern neue Komponenten und Prüfverfahren. Im Fokus standen Anionenaustauschermembranen, kurz AEM. Sie wurden am Institut entwickelt, hergestellt, strukturell charakterisiert, unter realitätsnahen Bedingungen getestet und anschließend analysiert. AEM gelten als zentrale Komponenten der alkalischen Elektrolyse; für neue AEM erprobte das Projektteam außerdem eine VUV-basierte Synthesetechnologie.

Am IFAM entstand dafür ein modularer elektrochemischer Prüfstand. Unterschiedliche Elektrolyte und Zellkonfigurationen können dort unter verschiedenen Betriebsbedingungen untersucht werden. Auf dem Prüfprogramm standen Membranen, Elektroden, Bipolarplatten, Separatoren sowie Diaphragmen für die alkalische Elektrolyse, also AEL.

Nach den Versuchen geht es ins Detail: Rasterelektronenmikroskopie, EDX, XPS und TOF-SIMS machen Ablagerungen, Oberflächenveränderungen, Korrosion und Alterungsprozesse sichtbar. So lässt sich bewerten, wie schnell Materialien verschleißen. Die Verbindung aus Materialentwicklung und Prüfung soll zeigen, wie stabil einzelne Komponenten unter unterschiedlichen Belastungen bleiben – nicht nur im Laborbetrieb auf dem Papier.

Am Fraunhofer IFAM arbeiteten dafür mehrere Fachbereiche zusammen. Das Team um Dr. Stefan Dieckhoff verband Elektrolyseforschung, Oberflächenanalytik und Werkstoffentwicklung. Andreas Brinkmann, Olga Yezerska und Karsten Thiel waren in der Oberflächenanalytik tätig. Kerstin Flothmeier und Katharina Richter stellten im Bereich Polymere Werkstoffe Anionenaustauschermembranen her.

Vom Messbecher zur größeren Anlage

Parallel entwickelte das Fraunhofer IWES einen größeren Prüfstand, der für verschiedene Anwendungen nutzbar ist. Dort lassen sich unterschiedliche Elektrolysetechnologien und neue Komponenten mit Brack- oder Salzwasser untersuchen und vergleichen: PEM-Elektrolyse, alkalische Elektrolyse und AEM-Elektrolyse.

Geeignete Materialien können von kleinen Messzellen in größere Aufbauten überführt werden. Dann zeigt sich nicht nur, wie sich ein Material verhält, sondern auch, wie mehrere Zellen und weitere Systemkomponenten zusammenspielen. Das IFAM entwickelte und testete dafür verschiedene Messzellen und Prüfstände unter realitätsnahen Bedingungen.

Die Ergebnisse sollten zur Nationalen Wasserstoffstrategie und zur Versorgungssicherheit in Deutschland beitragen. Gerade im Offshore-Bereich werden Wasserstofftechnologien zunehmend im Zusammenhang mit kritischer Infrastruktur betrachtet. Wasserstoff kann erneuerbare Energien speicherbar machen und helfen, überschüssige Strommengen zu integrieren. Als potenzielle Nutzer beziehungsweise Betroffene gelten Netzbetreiber, Windkraftanlagenbetreiber und Industrieunternehmen.

Die Idee klingt auf den ersten Blick schlicht: Wasser dort verwenden, wo es ohnehin vorhanden ist. In der Anlage aber entscheidet jedes Salz, jede Ablagerung und jede angegriffene Oberfläche mit. Und genau deshalb landen die Materialien nach dem Versuch nicht einfach im Müll, sondern unter dem Mikroskop, in der Analyse – und wieder zurück in der nächsten Testreihe.