„Deutschland muss Wasserstoff-Republik werden.“ Mit dieser Aussage brachte Robert Habeck während seiner Amtszeit als Bundesminister für Wirtschaft und Klimaschutz die Bedeutung von Wasserstoff für die Energiewende auf den Punkt. 

Deutschland verfolgt das Ziel, bis 2045 klimaneutral zu werden. Dafür reicht der Ausbau erneuerbarer Energien allein nicht aus. Neben zusätzlichen Kapazitäten für Wind- und Solarenergie braucht es vor allem leistungsfähige Stromnetze sowie effiziente Speichertechnologien, um überschüssige Energie langfristig nutzbar zu machen. 

Eine zentrale Rolle spielt dabei Wasserstoff. Er ermöglicht es, erneuerbar erzeugte Energie zu speichern, zu transportieren und später wieder nutzbar zu machen – beispielsweise in Industrieprozessen, der Mobilität oder der Stromversorgung. 

Gerade vor dem Hintergrund geopolitischer Krisen und steigender Energieabhängigkeiten wird deutlich, wie wichtig eine resiliente und unabhängige Energieinfrastruktur für die Bundesrepublik Deutschland ist.

Elektrolyseverfahren zur Erzeugung von grünem Wasserstoff

Wasserstoff wird mithilfe der Elektrolyse erzeugt. Dabei wird Wasser (H₂O) durch elektrischen Strom in Wasserstoff (H₂) und Sauerstoff (O₂) zerlegt. 

Stammt der eingesetzte Strom aus erneuerbaren Energiequellen, spricht man von grünem Wasserstoff.

Aktuell kommen vor allem drei Elektrolyseverfahren zum Einsatz:

1. Alkalische Elektrolyse (AEL)  

2. Protonenaustauschmembran-Elektrolyse (PEM)  

3. Festoxid-Elektrolyse (SOEC – Solid Oxide Electrolysis Cell)  

Besonders großes Potenzial bietet die Festoxid-Elektrolyse. Sie arbeitet mit Wasserdampf bei hohen Temperaturen zwischen etwa 650 °C und 1000 °C. Durch die Nutzung thermischer Energie kann das Verfahren Wirkungsgrade von bis zu 80 % erreichen. 

SOEC-Systeme bestehen typischerweise aus: 

• zwei porösen Elektroden  
• einem dichten keramischen Elektrolyten  
• verschiedenen funktionalen Zwischenschichten  

Als Elektrolytwerden Oxidkeramiken wie Zirkonoxid eingesetzt, die sich durch hohe Temperaturbeständigkeit gute Sauerstoffionen-Leitfähigkeit auszeichnen. Oxidkeramiken lassen sich heutzutage im 3D-Druck herstellen. 

Welchen Vorteil bietet der Keramik-3D-Druck? 

Der Keramik-3D-Druck eröffnet neue Möglichkeiten für die Entwicklung leistungsfähiger Elektrolysekomponenten. Insbesondere bei komplexen Geometrien und funktionalen Designs bietet die additive Fertigung deutliche Vorteile gegenüber konventionellen Herstellungsverfahren. 

• Chemische Beständigkeit: Elektrolysesysteme arbeiten unter anspruchsvollen chemischen Bedingungen und hohen Temperaturen. Technische Keramiken bleiben selbst in aggressiven Umgebungen weitgehend inert und korrosionsbeständig. Viele metallische Werkstoffe stoßen hier an ihre Grenzen. 
• Hohe Temperaturfestigkeit: Keramische Werkstoffe behalten ihre mechanische Stabilität auch bei Temperaturen, bei denen Metalle bereits versagen oder ihre Eigenschaften verlieren. Das macht sie ideal für Hochtemperatur-Elektrolyseverfahren wie SOEC. 
• Ionische Leitfähigkeit: Keramiken besitzen die Fähigkeit, Sauerstoffionen zu transportieren. Dadurch können sie direkt als Elektrolytmaterial eingesetzt werden. 
• Elektrische Isolation: Technische Keramiken kombinieren ionische Leitfähigkeit mit elektrischer Isolation. Diese Materialeigenschaft ist für viele Zellkonzepte entscheidend, da Kurzschlüsse vermieden und gleichzeitig elektrochemische Prozesse ermöglicht werden. 

Dadurch können: 

• aktive Oberflächen vergrößert
• Strömungseigenschaften vergrößert
• Materialeinsatz reduziert
• Bauteilgewichte gesenkt
• Bauteilgewichte gesenkt werden.

Institut de Recerca en Energia de Catalunya (IREC) erzeugt grünen Wasserstof

Das Institut de Recerca en Energia de Catalunya (IREC) forscht gemeinsam mit 3DCeram an additiv gefertigten Elektrolyten für SOEC-Anwendungen. 

Ziel des Projekts war es, die Leistungsfähigkeit keramischer Elektrolysezellen durch neue Werkstoffe und optimierte Geometrien zu steigern. 

Hierfür qualifizierte das Forschungsteam den Werkstoff Yttrium-stabilisiertes Zirkonoxid (YSZ) für den keramischen 3D-Druck und entwickelte speziell angepasste Zellgeometrien für die additive Fertigung. 

Zum Einsatz kam dabei ein leistungsfähiges, mit Ytterbium und Scandium stabilisiertes Zirkonoxid (6Yb4ScSZ). Dieses Material weist eine höhere Sauerstoffionen-Leitfähigkeit auf als konventionelle YSZ-Werkstoffe. 

Mithilfe des SLA-3D-Druckers von 3DCeram konnten komplexe Elektrolytstrukturen erfolgreich gefertigt werden. 

Die Ergebnisse zeigen: 

• Das neue Material bietet eine höhere ionische Leitfähigkeit als klassische Referenzwerkstoffe.  
• Das gewellte Design vergrößert die aktive Oberfläche der Zelle um rund 60 % gegenüber planaren Geometrien.  
• Durch die größere aktive Fläche kann die elektrochemische Leistung der Zelle gesteigert werden. 

Fazit: Keramik-3D-Druck als Schlüsseltechnologie für grünen Wasserstoff

UDer Keramik-3D-Druck entwickelt sich zunehmend zu einer Schlüsseltechnologie für die nächste Generation von Elektrolysesystemen. 

Besonders im Bereich der Festoxid-Elektrolyse ermöglicht die additive Fertigung: 

• komplexe und leistungsoptimierte Geometrien  
• geringeren Materialverbrauch
• reduzierte Bauteilgewichte  
• höhere Energiedichten  
• effizientere elektrochemische Prozesse  

Dadurch werden SOEC-Systeme nicht nur für industrielle Wasserstoffproduktion interessanter, sondern auch für mobile Anwendungen und die langfristige Speicherung erneuerbarer Energien. 

Die aktuellen Forschungsprojekte zeigen deutlich: Die Fertigung von Hochleistungskeramiken im 3D-Druck werden eine zentrale Rolle beim Ausbau der Wasserstoffwirtschaft spielen – und damit einen wichtigen Beitrag zur Energiewende leisten. 

Wollt ihr mehr über Keramik-3D-Druck erfahren? Dann kontaktiert uns gerne hier.