„Deutschland muss Wasserstoff-Republik werden.“, sagte Robert Habeck, ein deutscher Politiker von der Partei Bündnis 90/Die Grünen undeiner der wichtigsten Treiber der Wasserstoffstrategie in Deutschland. Bis 2045 will die Bundesregierung Klimaneutral sein, dafür braucht sie ein neuer Energiemix. Erneubare Energien aus Sonne und Wind spielen eine Rolle aber auch Wasserstoff.

Elektrolyseverfahren zur Erzeugung von Wasserstoff

Um der Wasserstoff abzutrennen ist das bekannteste Verfahren die Elektrolyse. Dabei wird mit Strom das Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. Es ist wichtig zu erwähnen, dass Wasserstoff keine Energiequelle an sich ist wie Erdöl, Erdgas, Wind und Wasser, sondern ein Energieträger, der vielseitig ist. Es wird in der Industrie, in der Chemie, in der Petrochemie, in der Mobilität oder auch in der Erzeugung von Strom eingesetzt.

Warum technische Keramik

Technische Keramik wird in Elektrolyseverfahren zur Wasserstofferzeugung nicht „zufällig“ bevorzugt, sondern bewusst, weil sie genau die Eigenschaften mitbringt, die unter extreme Bedingungen der Elektrolyse gebraucht werden.

Ein zentraler Punkt ist die chemische Beständigkeit. In der Elektrolyse herrschen aggressive Arbeitsumgebungen und Konditionen. Metalle können sich zersetzen im gegensetz zu der technischen Keramik, die auch in aggressiven Arbeitsumgebungen weitgehend inert bleibt.

Dazu kommt die hohe Temperaturfestigkeit. Die meisten Keramiken behalten ihre mechanische Stabilität und Funktion bei sehr hohen Temperaturen, wo Metalle versagen.

Ein weiterer Vorteil ist die ionische Leitfähigkeit bestimmter Keramiken wie Yttrium-stabilisiertes Zirkonoxid (YSZ). Materialien wie Yttrium-stabilisiertes Zirkonoxid können Sauerstoffionen leiten und dienen als Elektrolyt.

Auch die elektrische Isolation spielt eine Rolle: Keramiken können gleichzeitig elektrisch isolierend und ionisch leitfähig sein – eine Kombination, die für viele Zellkonzepte ideal ist.

Grüner Wasserstoff & SOC

Derzeit basiert der Großteil (95 %) der weltweiten Wasserstoffproduktion auf der Dampfreformierung von Methan, was zu einem Ausstoß von mehr als 12 kg CO₂ pro Kilogramm produziertem Wasserstoff führt. Es gibt jedoch alternative Methoden zur Wasserstoffproduktion ohne CO2-Emissionen, den sogenannten grünen Wasserstoff. Heutzutage gibt es drei Haupttechnologien für die Erzeugung von grünem Wasserstoff, sie sind einmal die Protonenaustauschmembran, die alkalische Elektrolyse und die Festoxid-Elektrolyse. Festoxidzellen (SOC) bieten mehrere Vorteile, da sie bei hohen Temperaturen, typischerweise über 750 °C, was zu einer verbesserten Gesamtleistung und Effizienz führt. Mit einem beeindruckenden Wirkungsgrad von bis zu 80 % zeigen SOC-Technologien ihr Potenzial als hocheffiziente Energiespeicher.

SOC-Bauelemente bestehen typischerweise aus zwei porösen Elektroden und einem dichten Oxid-Ionen-Elektrolyten. Das derzeit modernste Elektrolytmaterial für SOC-Anwendungen ist yttriumoxidstabilisiertes Zirkonoxid (YSZ).

IREC – Institut de Recerca en Energia de Catalunya

Um die Leistung der SOC-Bauelementen zu steigern, beschloss das Team des IREC – Institut de Recerca en Energia de Catalunya, mit zwei Parametern zu experimentieren: Material und Design.

Sie beschlossen sich über Standard-Zirkonoxid hinaus zu gehen und verarbeiteten ein hochleistungsfähiges, mit Ytterbium und Scandium stabilisiertes Zirkonoxid (6Yb4ScSZ).

Mithilfe des CERAMAKER-Druckers, druckten sie das Material erfolgreich zu komplexen, gewellten Elektrolyten und bewiesen damit:

• Das neue Material bietet eine bessere Ionenleitfähigkeit als der Referenzwerkstoff ZY8.
• Das gewellte Design ermöglicht eine 60-prozentige Vergrößerung der aktiven Fläche im Vergleich zu planaren Zellen.

Der Hauptvorteil des 3D-Drucks liegt in seiner Gestaltungsflexibilität, dem geringeren Materialverbrauch sowie einer drastischen Reduzierung von Gewicht und Volumen des Endprodukts, wodurch sich die Energiedichte der Endsysteme erhöht. Diese höhere Energiedichte macht diese Geräte sowohl für Transportanwendungen als auch für die Speicherung erneuerbarer Energie durch Wasserstofferzeugung besonders attraktiv.

Dies bestätigt, dass der SLA-3D-Druck der Schlüssel zum Einsatz der nächsten Generation von Hochleistungskeramiken für grünen Wasserstoff ist.

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