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Beitrag von Lowie D'Hooghe

21. Januar 2025

Titelbild: MEA von Toshiba

Bildquelle: Bekaert

Maximierung der MEA-Effizienz mit minimalem Iridiumeinsatz

Das Problem mit der Iridiumabhängigkeit

Die Forderung nach einer nachhaltigeren Wasserstofferzeugung war noch nie so nachdrücklich wie heute, da die Industrie eine Dekarbonisierung anstrebt. Die Erzeugung von grünem Wasserstoff durch Wasserelektrolyse ist zwar ein vielversprechender Weg zur Dekarbonisierung, hat aber mit einer harten Realität zu kämpfen: der fast vollständigen Abhängigkeit von einer teuren und umweltbelastenden Ressource. Aber was hat es mit dem Iridium auf sich? Und kann Wasserstoff seinem Ruf als Schlüsselinstrument für die industrielle Dekarbonisierung gerecht werden?

Hohe Leitfähigkeit und ein hoher Schmelzpunkt sind nur einige der einzigartigen Eigenschaften von Iridium. Vor allem dient Iridium als hervorragender Katalysator für die Wasserelektrolyse mit Protonenaustauschmembranen (PEM). Dies geht so weit, dass praktisch alle heute verwendeten PEM-Elektrolyseure Iridium als Katalysator für die Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER) auf der Anodenseite ihrer Zellen verwenden. Dieser Ansatz hat jedoch auch einige Nachteile.

Iridium ist außerdem eines der seltensten Elemente auf der Erde. Es ist über 50-mal seltener als Gold. Und da jährlich nur etwa 7 bis 9 Tonnen gefördert werden, trägt seine arbeitsintensive Förderung zu einer bereits angespannten Umweltbelastung bei. Der Grund dafür ist, dass die Gewinnung und Raffination von Iridium sehr CO2-intensiv sind, was seine Verwendung in alternativen Energien weiter erschwert.

Die Kosten für Iridium machen seine Verwendung für die Wasserstofferzeugung noch komplizierter. Als eines der seltensten und teuersten Edelmetalle schwanken die Preise zwischen 4.000 und 6.000 US-$ pro Unze. Damit stellt das begrenzte Angebot an Iridium eine besondere Herausforderung für die Skalierung der erneuerbaren Wasserstoffproduktion dar. Seine Knappheit in Verbindung mit der hohen Nachfrage nach PEM-Elektrolyseuren treibt die Kosten weiter in die Höhe. Und da die Ir-Beladung der Anodenseite dieser Systeme 1 bis 2 mg/cm2 erfordert, macht diese Abhängigkeit die Ir-Reduzierung nicht nur zu einer technischen Priorität, sondern zu einem entscheidenden Schritt, um Wasserstoff zu einer wirtschaftlich tragfähigen Energielösung zu machen.

MEA Stack Kopie
abb. 2 MEA-Stack

 

Da die weltweite Nachfrage nach Elektrolyseuren steigt, stellt die Abhängigkeit von Iridium eine wachsende Herausforderung dar. Iridium ist ein Nebenprodukt der Platinraffination, so dass beide Märkte miteinander verflochten sind. Die zunehmende Einführung von Technologien, die auf Iridium angewiesen sind, führt zu dessen Verknappung, so dass eine Verringerung der Abhängigkeit im Interesse der Skalierbarkeit und Nachhaltigkeit der Wasserstofferzeugung von entscheidender Bedeutung ist.

Wenn der Markt für Fahrzeuge mit Verbrennungsmotoren langfristig schrumpft, könnte auch das Angebot an Platin (und folglich auch an Iridium) zurückgehen, da der Hauptmarkt für Platin heute maßgeblich Katalysatoren für Verbrenner-Pkw und -Lkw sind. Die Bemühungen um eine Optimierung der Ir-Nutzung sind jedoch bereits weit fortgeschritten, so dass die H2-Industrie in der Lage sein wird, die künftige Nachfrage zu decken, ohne auf seltene Ressourcen zurückgreifen zu müssen.

Mit weltweit steigender Nachfrage nach Ir-basierten Wasserstofftechnologien wird die Verknappung des Elements mitunter weiter zunehmen. Dies unterstreicht die entscheidenden Bemühungen zur Reduzierung des Ir-Bedarfs, sodass Erschwinglichkeit, Skalierbarkeit und Nachhaltigkeit gewährleistet werden können. Um dem Bedarf gerecht zu werden, sind daher gemeinsame Anstrengungen zur Verringerung der Abhängigkeit von einem so schwer zu bekommenden Metall bereits in vollem Gange.

PEM-Elektrolyseur-Technologie

PEM-Elektrolyseure werden zur Herstellung von Wasserstoff durch Wasserelektrolyse verwendet, einen Prozess, bei dem Wasser mithilfe von Elektrizität in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten wird. Diese Elektrolyseure werden für die Produktion von grünem Wasserstoff eingesetzt und unterstützen eine breite Palette von Anwendungen wie der Stahlherstellung, dem Transport und der chemischen Produktion. Der Elektrolyseur besteht aus mehreren Komponenten, darunter die Anode, die Membran und die Kathode, um nur einige zu nennen. Die Anode stellt jedoch den Flaschenhals in diesem Prozess dar.

BK MEA Poster EXP02 Kopie

Trotz ihrer entscheidenden Rolle bei der Erleichterung der Sauerstoffentwicklungsreaktion bleibt die Abhängigkeit der Anode von hohen Iridium-Beladungen eine ständige Herausforderung. Aufgrund seiner ausgezeichneten Korrosionsbeständigkeit, seiner leitfähigen Eigenschaften und seiner hohen Aktivität für die OER wird Iridium von PEM-Elektrolyseuren als entscheidendes Element des Anodenkatalysators eingesetzt.

Die Membranelektrodenanordnung (MEA) ist das Herzstück eines PEM-Elektrolyseurs. An diesem Punkt des Prozesses wird Wasser durch Elektrolyse in Wasserstoff- und Sauerstoffionen aufgespalten. Das Design der MEA ist ausschlaggebend für die Effizienz, da es einen effektiven Protonentransfer, minimale Energieverluste und eine lange Lebensdauer unter rauen Bedingungen gewährleistet. Durch die Optimierung des Katalysatoreinsatzes und die Verbesserung der Materialleistung ebnen moderne MEA-Technologien den Weg für eine skalierbare H2-Produktion. Sie machen erneuerbaren Wasserstoff zu einer zunehmend praktikablen Lösung für die Dekarbonisierung.

Die Komponenten des PEM-Elektrolyseurs sind in ihrer Funktionalität voneinander abhängig, um Wasserstoff effizient produzieren zu können. Angesichts der Abhängigkeit von einem so wertvollen Element ist die Verwendung von Iridium zu optimieren, um den PEM-Wasserstofferzeugungsprozess kostengültig gestalten zu können. Die zunehmende Dringlichkeit, die Abhängigkeit von Iridium aus finanziellen und ökologischen Gründen zu verringern, hat zu Innovationen in der H2-Branche geführt. Für PEM-Elektrolyseure bedeutete dies die Entwicklung neuer Komponententechnologien, um die Auswirkungen knapper Materialien zu minimieren und gleichzeitig die Leistung beizubehalten.

Eine auf Fortschritt aufgebaute Partnerschaft

Die anspruchsvollen Betriebsbedingungen des PEM-Elektrolyseurs stellen einzigartige Herausforderungen dar, insbesondere im Hinblick auf den Materialverschleiß im Laufe der Zeit. Da die Langlebigkeit ein so kritischer Faktor ist, hat die inhärente Widerstandsfähigkeit von Iridium es lange Zeit zu einer Schlüsselkomponente gemacht. Mit zunehmender Skalierung der H2-Produktion wird eine Verringerung des Iridiumverbrauchs unerlässlich. Lösungen für diese Art von Herausforderungen erfordern jedoch Innovation und Zusammenarbeit.

Im Jahr 2017 begann Toshiba mit der Entwicklung einer innovativen MEA-Technologie zur Reduzierung von Iridium, mithilfe derer die Kosten des Katalysators sinken und gleichzeitig die katalytische Oberfläche vergrößert wird, was die Iridiumbeladung um bis zu 90 Prozent reduziert. Der Wechsel von beschichteten Katalysatormembranen (CCM) hin zur Direktbeschichtung auf eine poröse Transportschicht (PTL) führt zu einer erheblichen Verringerung des Iridiumverbrauchs bei der H2-Erzeugung.

Im Jahre 2022 ging Toshiba eine Partnerschaft mit Bekaert ein, um die Verfügbarkeit der MEA-Technologie von Toshiba zu verbessern. 2024 schlossen die Unternehmen eine offizielle Lizenzvereinbarung ab, die es Bekaert ermöglicht, die Toshiba-Innovation zu industrialisieren, so dass eine kostensenkende Technologie in den Markt eingeführt werden kann.

Innovationen für nachhaltige Komponenten

Nachhaltigkeit ist in jeder Phase der innovativen Prozesskette von Bekaert fest verankert. So wird sichergestellt, dass jede Lösung so entwickelt wird, dass sie die Bedürfnisse der Kunden erfüllt oder übertrifft und gleichzeitig zu einer nachhaltigeren Zukunft beiträgt. Die Reduzierung des Iridiumverbrauchs in Zusammenarbeit mit Toshiba ist ein Beispiel für das Engagement von Bekaert für Nachhaltigkeit. Dabei geht es nicht nur um die Umweltauswirkungen der Förderung seltener Metalle, sondern auch um den wirtschaftlichen Druck, der mit der Verknappung von Iridium einhergeht.

Die Zukunft des Wasserstoffs gestalten

Im Zuge der Umstellung des Energiesektors auf sauberere Alternativen sind Innovationen wie die iridiumreduzierende PEM-MEA-Technologie von entscheidender Bedeutung, um sicherzustellen, dass PEM-Elektrolyseure sowohl praktisch als auch skalierbar sind. Durch den Einsatz fortschrittlicher Technik und kooperative Durchbrüche setzt Bekaert einen neuen Standard für Nachhaltigkeit, ohne dabei Kompromisse bei Haltbarkeit oder Effizienz einzugehen. Dieser Ansatz positioniert die Wasserstofftechnologie nicht nur als Lösung für den heutigen Energiebedarf, sondern auch als Eckpfeiler für eine sauberere und widerstandsfähigere Zukunft.

 

Kategorien: 2025 | Entwicklung
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