Grüner Wasserstoff aus dem Meer: Neues Forschungsprojekt zu Wasserstoffproduktion an Offshore-Windparks

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Wasserstoff aus Nord- und Ostseewasser direkt an
Offshore-Windanlagen gewinnen – dieses Vorhaben steht im Zentrum des
Projekts SalYsAse. Dazu sollen Bakterien als Biokatalysatoren genutzt
werden, um den Prozess umweltschonend und kostengünstig durchzuführen. Das
Projekt unter Leitung von Prof. Dr. Mirjam Perner, Professorin für
Geomikrobiologie am GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel, wird
in Zusammenarbeit mit der Fachhochschule Kiel und dem
Technologieunternehmen Element22 durchgeführt. Es wird gefördert vom
Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt.

Offshore-Windanlagen produzieren oft mehr Strom als über die Leitungen an
Land transportiert werden kann. Kann der Strom nicht abgenommen werden,
stehen sie still. Effizienter wäre es, den Strom direkt in das
speicherbare Medium Wasserstoff umzuwandeln. Wasserstoff aus Meerwasser zu
gewinnen, direkt dort, wo der Wind weht – diese Idee steht im Fokus des
Projekts SalYsAse (Salzwasserelektrolyse mittels mariner Bakterien auf
Titangasdiffusionsschichten). Das Prinzip: Mittels Elektrolyse soll Strom
in so genannten grünen Wasserstoff umgewandelt werden. Bei der Elektrolyse
wird Wasser durch elektrischen Strom in seine Bestandteile, also
Wasserstoff und Sauerstoff, getrennt. Grüner Wasserstoff ist CO2-neutral
und kann einfach gespeichert und transportiert werden. Das Projekt wird
vom Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR)
über drei Jahre mit 733.000 Euro gefördert.

„Ziel des Projekts ist es, Wasserstoff mittels Salzwasserelektrolyse
umweltschonend und kostengünstig herzustellen – aber mit optimiertem
Wirkungsgrad und geringerem Einsatz von chemischen Katalysatoren“, sagt
Dr. Mirjam Perner. Sie ist Professorin für Geomikrobiologie am GEOMAR
Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel und leitet das Projekt gemeinsam
mit Prof. Dr.-Ing. Jana Schloesser, Professorin für Werkstofftechnik an
der Fachhochschule Kiel, und Florian Gerdts, leitender Prozessingenieur
beim Kieler Technologieunternehmen Element22.

Herausforderungen der Elektrolyse mit Salzwasser

Bislang benötigt die Elektrolyse gereinigtes Süßwasser, da dieses weder
Salze noch Mineralien enthält, was die Elektrolyseanlage vor Korrosion
schützt. Allerdings sind nur 2,5 Prozent der weltweiten Wasserreserven
Süßwasser. Zudem verursachen die Entsalzung und Reinigung von Salzwasser
zusätzliche Kosten, die durch die direkte Nutzung des Meerwassers
vermieden werden könnten. Die Wissenschaftler:innen wollen im Rahmen des
Projekts SalYsAse Salzwasser direkt aus dem Meer nutzen. Damit stehen sie
vor einigen Herausforderungen: Durch das enthaltene Salz kann bei der
Elektrolyse von Meerwasser giftiges Chlorgas entstehen. „Auch eine
schnellere Korrosion der Elektroden oder unerwünschte Nebenreaktionen
können auftreten. Dies wollen wir durch geeignete Werkstoffe in
Kombination mit den Mikroorganismen verhindern“, sagt Werkstoffexpertin
Jana Schloesser.

Effiziente Katalysatoren und Membranen

Um das Meerwasser nutzen zu können, wollen die Forschenden neben
herkömmlichen Katalysatorschichten auch marine Mikroben, also Bakterien,
verwenden. Die Mikroben stammen aus der Ost- und Nordsee, da sie am besten
an die Bedingungen des Salzwassers angepasst sind. Mirjam Perner erklärt:
„Oftmals wird das chemische Element Iridium als Katalysator genutzt, da es
sehr beständig gegenüber Korrosion ist. Allerdings ist es selten und daher
nur begrenzt verfügbar. Deshalb wollen wir Biokatalysatoren in Form von
Mikroben nutzen.“ Die Mikroben sollen dabei helfen, die Herausforderungen,
die durch die Nutzung des Salzwassers entstehen, zu verringern oder sogar
zu umgehen.

Das Projektteam setzt zusätzlich geeignete Materialien für die Membran,
die Wasserstoff und Sauerstoff während der Elektrolyse voneinander trennt,
und die poröse Transportschicht ein. „Die Besonderheit in SalYsAse liegt
darin, dass die poröse Transportschicht nicht nur den Strom und die
Reaktionsmedien leitet. Wir gestalten sie so, dass diese Schicht auch als
Träger für die Mikroben fungiert. Damit findet die biologische Katalyse
direkt in der Elektrolysezelle statt – ein spannender Ansatz, der die
Materialwissenschaften und die Life Sciences zusammenbringt“, so Florian
Gerdts. Dafür wollen die Projektbeteiligten poröse Titanstrukturen nutzen,
da Titan besonders widerstandsfähig gegenüber Korrosion ist, was für den
Einsatz im Meerwasser essenziell ist.

Wasserstoffproduktion direkt dort, wo der Wind weht

Der gesamte Prozess soll zukünftig dort stattfinden, wo auch der Strom
entsteht: an Offshore-Windanlagen. Damit vermeiden die
Wissenschaftler:innen, dass der Strom erst noch ans Festland transportiert
werden muss. Dieser Weg ist teuer, Energie geht verloren. Stattdessen wird
vor Ort sauberer, klimaneutraler Wasserstoff erzeugt. Dieser kann
effizient weitertransportiert werden, und zum Beispiel in
energieintensiven Industrien wie der Stahl- und Chemieproduktion
eingesetzt werden.

Hintergrund: Wasserstoff als Energieträger der Zukunft
Um fossile Brennstoffe zu ersetzen, werden in Zukunft mehr erneuerbare
Energien genutzt und nachhaltige Energieträger benötigt. Wasserstoff
spielt in diesem Zusammenhang eine wichtige Rolle, da er gut gespeichert
und transportiert werden kann. Wasserstoff als Energieträger ermöglicht so
die Kopplung verschiedener Sektoren – von der Industrie, über Mobilität
bis hin zur Energieversorgung.  Besonders effizient und ressourcenschonend
ist grüner Wasserstoff. Als grün gilt Wasserstoff, wenn er durch
Elektrolyse mit Strom aus erneuerbaren Energien wie Sonnen- oder
Windenergie erzeugt wird. Bei diesem Prozess entstehen keine
Treibhausgase. Wasserstoff, der durch Meerwasserelektrolyse an windreichen
Standorten entsteht, kann beispielsweise in der Industrie oder im
Schwerlastverkehr eingesetzt werden.

Förderung:
Das Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR)
fördert das Projekt mit insgesamt 733.000 Euro über einen Zeitraum von
drei Jahren.

Partner:
Projektpartner sind die Fachhochschule Kiel in Koordination der
Forschungs- und Entwicklungszentrum Fachhochschule Kiel GmbH und das
Technologieunternehmen Element22 GmbH aus Kiel, das für dieses Projekt die
Titanbauteile herstellt. SalYsAse ist angebunden an CAPTN Energy, ein
schleswig-holsteinisches Innovationsbündnis, das erneuerbare Energien für
maritime Anwendungen nutzt.