Toyota ist einer der wenigen Automobilhersteller, der schon Autos mit Brennstoffzellen-Technik anbietet. - (Bild: Toyota)
Statt aus Batterien könnten auch Brennstoffzellen den Strom für Elektroautos liefern. Sie verbrennen Wasserstoff – ein Gas, das beispielsweise aus überschüssigem Strom von Windkraftwerken erzeugt werden könnte. Allerdings ist das in Brennstoffzellen verwendete Platin selten und extrem teuer, was die Einsatzmöglichkeiten bislang stark einschränkte.
Ein Forschungsteam der TU München um Roland Fischer, Professor für Anorganische und Metallorganische Chemie, Aliaksandr Bandarenka, Professor für Physik der Energiewandlung und -speicherung und Alessio Gagliardi, Professor für Simulation von Nanosystemen zur Energieumwandlung, hat nun die Größe der Platin-Partikel so optimiert, dass sie doppelt so leistungsfähig sind wie die besten derzeit kommerziell verfügbaren Verfahren.
E-Autos: Das sind die wichtigsten Absatzmärkte
Die weltweite Nachfrage nach E-Autos ist 2018 um 2,1 Millionen Einheiten gestiegen im Vergleich zum Vorjahr. In Deutschland bleibt die Nachfrage jedoch weiterhin unterdurchschnittlich. Welche Absatzmärkte am wichtigsten sind zeigt dieses Ranking.
Ideal: Ein Platin-Ei von einem Nanometer Größe
In Brennstoffzellen reagiert Wasserstoff mit Sauerstoff zu Wasser, dabei wird Elektrizität gewonnen. Um diesen Prozess optimal zu gestalten, braucht es raffinierte Katalysatoren auf den Elektroden. Platin spielt dabei für die Sauerstoff-Reduktions-Reaktion eine zentrale Rolle.
Um die ideale Lösung zu finden, modellierte das Team das Gesamtsystem am Computer. Die zentrale Frage: Wie klein kann ein Häuflein Platin-Atome werden, um noch katalytisch hochaktiv sein zu können. „Es zeigte sich, dass es bestimmte optimale Platin-Haufengrößen geben könnte“, erklärt Fischer, Professor für Anorganische und Metallorganische Chemie an der TU München.
Ideal sind danach etwa einen Nanometer große Partikel, die rund 40 Platinatome enthalten. „Platinkatalysatoren dieser Größe haben ein kleines Volumen, aber eine große Zahl an stark aktiven Stellen, was zu einer hohen Massenaktivität führt“, sagt Bandarenka.
Dossier Klimaneutrale Industrie - hier zum Download
Entdecken Sie, wie Sie den steigenden Energiekosten entkommen und gleichzeitig Ihr Unternehmen klimaneutral für die Zukunft aufstellen. Wie das geht, ist in dem Dossier Klimaneutrale Industrie verständlich erklärt. Hier gelangen Sie zur Leseprobe. Weitere Informationen und den Link zum Download der Studie gibt es hier.
Das erwartet Sie:
- Wirtschaftliche Vorteile eines klimaneutralen Unternehmens
- Welche pragmatischen Lösungen es für die Reduzierung von CO2-Emissionen gibt
- Wie Sie an die richtigen Fördertöpfe kommen
- Experteninterviews mit Tipps aus der täglichen Praxis und gezielten Lösungsstrategien zu Fragen wie „Was will ich erreichen, was kann ich erreichen und wo fange ich überhaupt an?“
- Best Practice-Cases aus der Industrie
Interdisziplinäre Zusammenarbeit
Einen wichtigen Anteil am Erfolg der Forschenden hat die interdisziplinäre Zusammenarbeit am Zentrum für Katalyseforschung (CRC). Theoretische Fähigkeiten bei der Modellierung, gemeinsame Diskussionen sowie physikalisches und chemisches Wissen aus Experimenten führen letztlich zu einem Modell, wie sich Katalysatoren idealerweise in Form, Größe und Größenverteilung der beteiligten Komponenten designen lassen.
Zudem gibt es am CRC auch das Knowhow, um die berechneten Platin-Nanokatalysatoren auch herzustellen und experimentell zu testen. „Dahinter steckt viel anorganische Synthesekunst“, sagt Kathrin Kratzl, neben Batyr Garlyyev und Marlon Rück, eine der drei Erstautoren der Studie.
Alles Wissenswerte zum Thema CO2-neutrale Industrie
Sie wollen alles wissen zum Thema CO2-neutrale Industrie? Dann sind Sie hier richtig. Alles über den aktuellen Stand bei der klimaneutralen Industrie, welche technischen Innovationen es gibt, wie der Maschinenbau reagiert und wie die Rechtslage ist erfahren Sie in dem Beitrag "Der große Überblick zur CO2-neutralen Industrie".
Um die klimaneutrale Industrie auch real werden zu lassen, benötigt es regenerative Energien. Welche Erneuerbaren Energien es gibt und wie deren Nutzen in der Industrie am höchsten ist, lesen Sie hier.
Oder interessieren Sie sich mehr für das Thema Wasserstoff? Viele Infos dazu gibt es hier.
Doppelt so gut wie der beste handelsübliche Katalysator
Das Experiment bestätigte die theoretischen Vorhersagen exakt. „Unser Katalysator ist doppelt so gut wie der beste handelsübliche Katalysator“, sagt Garlyyev. Noch reiche das nicht für kommerzielle Anwendungen aus, hier sei eine Reduzierung der Platinmenge von jetzt 50 auf bis zu 80 Prozent notwendig.
Neben sphärischen Nanopartikeln erhoffen sich die Forschenden von weitaus komplexeren Formen eine höhere katalytische Aktivität. Genau für solche Modellierungen sind die jetzt etablierten Rechenmodelle ideal. „Allerdings erfordern komplexere Formen noch komplexere Synthesemethoden“, sagt Bandarenka. Gemeinsame rechnerische und experimentelle Studien werden dabei in Zukunft immer wichtiger.
Geballter Input zum Thema Wasserstoff
Lesen Sie unseren praktischen Überblick "Top 10: Das sind die größten Wasserstoff-Projekte". Darin erfahren Sie, welche Themen rund um Wasserstoff besonders relevant sind.
Weitere Empfehlungen der Redaktion zum Thema Wasserstoff und Brennstoffzelle:
- Die Salzgitter AG hat den Weg der klimaneutralen Stahlproduktion eingeschlagen, um seinen CO2-Fußabdruck zu verringern. Lokal produzierter Wasserstoff gilt als Basis für das Unterfangen. Doch auf Dauer wird die dort produzierte Menge von H2 nicht ausreichen.
- Der Einsatz von Wasserstoff gilt als optimale Lösung, industrielle Prozesse CO2-neutral zu gestalten. Hierzulande kann dafür nicht genügend H2 produziert werden. Doch welche Transportlösung ist ideal, um H2 aus der Ferne zu beschaffen? Ein Überblick.
- CO2-Neutralität ist das eine wichtige Ziel. Doch ein großer Wunsch von Unternehmen ist es, energieautonom zu sein. Dabei lassen sich beide Ziele perfekt miteinander kombinieren.
- Um die Energiewende umzusetzen, gilt grüner Wasserstoff als Allheilmittel. Doch Deutschland ist auf Importe angewiesen. Welche Länder das größte Potenzial als Lieferant haben.
- Mit einer eigenen Infrastruktur produziert Linde MH grünen Wasserstoff und versorgt damit 21 Brennstoffzellenstapler der Werksflotte mit Energie.
- Die FEV-Fachkonferenz 'Zero CO₂ Mobility' drängt auf alle technologischen Alternativen aus erneuerbaren Energiequellen für eine nachhaltige Mobilität – durch E-Fahrzeuge, grünen Wasserstoff in Brennstoffzellen sowie E-Fuels für die Bestandsflotte.
- Nachhaltige Energieversorgung ist durch (transportable) Wasserstoff-Brennstoffzellen möglich. So können Diesel-Generatoren einfach ersetzt und der CO2-Ausstoß eliminiert werden. Wie das funktioniert, beschreibt der Beitrag .
- Das BMW-Werk in Leipzig verfügt deutschlandweit über die größte Wasserstoff-Fahrzeugflotte in der Intralogistik. Welche weiteren Einsatzgebiete für H2 bereits geplant sind, erklärt der folgende Beitrag: BMW setzt auf Wasserstoff in der Intralogistik
- Die Energiekrise bestärkt den Wunsch, Wasserstoff vermehrt einzusetzen. Für einen großflächigen Einsatz ließen sich auch vorhandene Gasnetze nutzen. Was dabei zu beachten ist, beschreibt der Beitrag 'So funktioniert der Markthochlauf von Wasserstoff'.
- Im Hinblick auf einen Lieferstopp von Kohle und Erdgas gehen Wasserstoff und dessen Derivate Ammoniak und Methanol gehen als vielversprechende Alternativen zu den konventionellen Energieträgern ins Rennen. Wie das funktioniert, lesen Sie in dem Beitrag Wasserstoff statt Kohle – so macht H2 die Industrie grüner.
- Wie Siemens Mobility und die Bahn auf den CO2-neutralen Antrieb mittels Wasserstoff setzen und dabei eine mobile Wasserstoff-Schnellbetankung für unterwegs integrieren, erfahren Sie in dem Beitrag Bahn und Siemens Mobility präsentieren neuen Wasserstoffzug.
- Auch die Bundeswehr sieht in Wasserstoff eine strategische Chance, denn H2 kann ein Konzept für mehr Autonomie Deutschlands und den Schutz des Klimas sein. Lesen Sie dazu den Beitrag Energieautonomie durch Wasserstoff auch bei der Bundeswehr.
- Welchen Beitrag Wasserstoff auf dem Weg zur CO2-neutralen Fabrik leisten kann, demonstriert Bosch in der Praxis. Lesen Sie dazu den Artikel "So nutzt Bosch die Potenziale von H2 für die Fertigung".
- Die klimaneutrale Fabrik soll Wirklichkeit werden. Wie das geht und welche Technologien Maschinenbauer dazu in einer Wasserstoffwirtschaft anbieten können, lesen Sie in dem Beitrag "Das ist der Weg zur CO2-neutralen Fabrik mittels Wasserstoff".
- Mit 8,75 Megawatt elektrische Leistung baut Siemens in Wunsiedel in Bayern eine der größten CO2-freien Wasserstofferzeugungsanlagen in Deutschland. Lesen Sie dazu "Grüne Wasserstoffproduktion: Siemens gibt Startschuss".
- H2FLY und Deutsche Aircraft planen, 2025 eine Dornier 328 als CO2-freies Wasserstoff-Brennstoffzellen-Flugzeug in die Luft zu bringen. Die Hintergründe lesen Sie hier.
- Wasserstoff und Klimaziele werden oft zusammen genannt. Was getan werden muss, damit Deutschland beim Wasserstoff wettbewerbsfähig bleibt, steht im folgenden Beitrag: Wasserstoff: Was jetzt passieren muss - mit Praxisbeispielen von Bosch und MAN.
- Mittels Wasserstoff sind CO2-freier Transport und Logistik möglich. Doch nicht nur deshalb sehen Daimler und Bosch im Brennstoffzellenmotor Zukunftspotenzial. Genaue Infos dazu gibt es im Beitrag "Warum Daimler und Bosch auf die Brennstoffzelle setzen".
- Die Produktion von Wasserstoff sowie von Brennstoffzellen kann der Industrie gehörig den Rücken stärken. Wer sind die Profiteure und welche Hürden gibt es? Wie Wasserstoff für Aufschwung in der Industrie sorgt, lesen Sie hier.
- Wasserstoff wird zum 'Industrie-Treibstoff': Warum Bosch jetzt Brennstoffzellen baut, wie Thyssenkrupp Stahl CO2-neutral herstellt und warum auch die spanende Fertigung profitiert. Lesen Sie dazu "Brennstoffzelle: Maschinenbau lebt durch Wasserstoff auf".
- Die Zukunft gehört dem Wasserstoffantrieb! Das meint zumindest der Philosoph Richard David Precht. Unter energetischen und ethischen Gesichtspunkten sei die Brennstoffzellen-Technologie den batterie-elektrischen Autos überlegen. Hat er Recht? Ob er Recht hat oder nicht, klärt dieser Beitrag: "Fahren die besseren E-Autos mit Brennstoffzelle?".
- Einem interdisziplinären Forschungsteam der Technischen Universität München (TUM) ist es gelungen, die Größe von Platin-Nanopartikeln für die Katalyse in Brennstoffzellen so zu optimieren, dass die neuen Katalysatoren doppelt so gut sind, wie die derzeit besten kommerziell verfügbaren Verfahren. Ist das der Durchbruch für die Brennstoffzellen-Technik?
- Wie sich Wasserstoff-Stapler im Betrieb schlagen, haben mehrere Unternehmen erfolgreich getestet. Was das für Lithium-Ionen- und Diesel-Stapler bedeutet. Der Beitrag "Warum Staplerflotten künftig mit Wasserstoff fahren" klärt darüber auf.
