Wasserstofftechnologie für eine dekarbonisierte Zukunft

Erst die hohen Übertragungsraten des 5G-Standards machen Techniken wie intelligente Verkehrsführung, zuverlässiges Infotainment und als Endziel autonomes Fahren möglich. In ähnlicher Weise schließt der Hoffnungsträger „H2“ in der Energiewirtschaft die Lücke zwischen Stromproduktion und Verbraucher. Denn die Speicherung unregelmäßig erzeugten Ökostroms entwickelt sich mehr und mehr zum Flaschenhals für die Decarbonisierungsziele.

Ähnlich der Entwicklung nach dem Dieselskandal bilden sich auch in der Wasserstoffbranche laufend neue Partnerschaften. Viele der Firmen sind eher kleinere Mittelstandsunternehmen, die noch weit von der Rentabilität entfernt sind. Doch die Klimaerwärmung mit den immer sichtbarer werdenden Folgen zwingt zum Handeln und bringt so auch in die Wasserstoff-Industrie Schwung. Denn Wasserstoff als Energieträger bietet etliche Vorteile.

Die Technik der Herstellung, Lagerung und des Transportes von Wasserstoff ist prinzipiell bekannt. So können Unternehmen wie Linde oder Air Products auf eine lange Erfahrung mit diesem leichtesten aller Elemente zurückschauen. Hersteller von H2-Tanks wie Hexagon (Druck) oder MAN Cryo (flüssig), Hersteller von Elektrolyseuren wie NEL (Norwegen) oder Plug Power (USA) und Unternehmen wie Still (H2-Gabelstapler) oder Viessmann (lokale, stationäre Energiegewinnung) haben zum Teil weit mehr als ein Jahrzehnt Erfahrung mit der Wertschöpfungskette von der Herstellung bis zum Verbrauch.

Nach vielen Jahren des Schattendaseins tritt die Wasserstofftechnik auch im Bereich der Verkehrstechnik einen Siegeszug an. Was vor 20 Jahren noch als (verfrühte) Zukunftsentwicklung bei Mercedes begann, ist heute nahe der Serienreife: die ersten Großschiffe werden mit Brennstoffzellen ausgerüstet, Lokomotiven werden von Brennstoffzellen angetrieben und Allianzen wie Nikola Motor mit Bosch (E-Achse) und PowerCell (Brennstoffzelle) beweisen, dass auch der Schwerlastverkehr auf der Straße hydrogenisiert werden kann.

Bei der Wasserstofftechnologie im PKW-Bereich ist Japan führend. Toyota (Mirai), Honda (Clarity) und Hundai (Nexo) haben erste Serienfahrzeuge am Start. Sie zeigen prinzipiell die Machbarkeit dieser Technologie. Voran getrieben werden die Arbeiten im Bereich Wasserstoff durch das JHFC (Japan Hydrogen & Fuel Cell Demonstration Project), das mit staatlicher Unterstützung namhafte Hersteller in ihren Bestrebungen für eine Wasserstoffgesellschaft fördert und vereint.

Unternehmen wie Shell, Siemens oder Hydrogenics kümmern sich indes um das Tankstellen-Netzwerk. Ähnlich wie bei der auf Lithium-Ionen basierenden Batterietechnologie benötigt auch Wasserstoff für eine schnelle Verbreitung eine ausreichende Infrastruktur an Tankstellen.

Doch Wasserstoff ist nicht gleich Wasserstoff. Kaum ein anderer Bereich ist so „bunt“ wie der des Wasserstoffs. Denn es gibt blauen, grauen, türkiser und grünen Wasserstoff. Bislang entstammt der weit überwiegende Anteil der Wasserstoffproduktion noch aus nicht-regenerativen Quellen. Meist entsteht er bei der Aufspaltung von Erdöl/-gas (Grauer Wasserstoff) oder wird aus Methan (Türkiser Wasserstoff) hergestellt. Wirklich nachhaltig ist Wasserstoff jedoch nur, wenn er mit Ökostrom per Elektrolyse hergestellt wird. Dann entfaltet Wasserstoff sein eigentliches Potential: Als Langzeit-Speicher für elektrische Energie. Mittels der Wasserstofftechnologie kann man große Mengen überschüssigen elektrischen Stroms aus Windkraft und Solarenergie in eine speicherbare und transportierbare Form überführen. Damit entkoppelt man die Stromherstellung von dem unmittelbaren Zwang, den Strom im gleichen Moment auch wieder zu verbrauchen. Auf diese Weise kann verhindert werden, dass jedes Jahr Gigawattstunden an regenerativ gewonnenem Strom abgeregelt werden müssen. Diese Speicherkapazität in Form von Lithium-Ionen-Batterien bereit zustellen wäre bedeutend teurer und kaum zu realisieren.

Neben der klassischen und bereits lange bekannten alkalischen Elektrolyse hat sich die PEM-Technologie wegen ihrer hohen Effizienz und einfacheren Handhabung stark verbreitet. Bei dieser Technologie ist keine Zugabe von Laugen wie zum Beispiel Kaliumhydroxyd (KOH) notwendig. Das Kernbauelement jeder PEM-Brennstoffzelle und jedes PEM-Elektrolyseurs ist die MEA (Membran-Elektrodeneinheit). In ihr befindet sich anstelle des leitfähig gemachten Wassers (Elektrolyt) die protonendurchlässige Membrane.  Diese Membrane trennt auch sicher die beiden Reaktionspartner Sauerstoff und Wasserstoff. PEM-Elektrolyseure sind hocheffizient und tolerieren sehr große Einspeiseschwankungen (z.B. aus Windparks und Solarfeldern).

Klebefolien für die MEA

CMC Klebetechnik liefert bereits seit über fünf Jahren eine Klebefolie, mit der diese PEM-Membrane optimal verklebt werden kann. Die form- und temperaturbeständige PEN-Folie ist hydrolysestabil und sorgt für eine vereinfachte Montage der Membrane in der MEA und dem Stack. Eine minimale Klebefläche reicht bereits aus, um die protonenleitende Membran abzudichten (Sub-Gasket). So kann es nicht zu einer gefährlichen Leckage kommen (Knallgas).

Das Laminatklebeband CMC 61325 verwendet eine relativ dünne Kleberbeschichtung, damit beim Laminieren der Funktionsmembrane kein Auspressen der Klebermasse auftreten kann. Auch später im Betrieb wird der nachvernetzende Kleber nicht mobilisiert. Eine Beeinträchtigung der Funktion, z.B. durch eine Katalysatorvergiftung, wurde bisher nicht beobachtet. Der Kleber ist bei Raumtemperatur nicht klebend und kann bei etwa 120°C thermisch aktiviert werden. Der Kleber bleibt jedoch auch nach diesem Verarbeitungsschritt elastisch. Diese Eigenschaft trägt dazu bei, Unterschiede bei der thermischen Ausdehnung  und wechselnden Druckverhältnissen zu kompensieren.

CMC 61325 kann in Breiten von 25 mm bis 1050 mm Breite geliefert werden. Rollenlängen bis zu 1.000 m (abhängig vom Rollengewicht) können realisiert werden, so dass eine automatisierte Massenproduktion möglich ist. CMC Klebetechnik kann auch Formstanzteile liefern, zum Beispiel endlos auf Rolle.

Ausgehend von der Basisvariante CMC 61325 können auch beispielsweise permanent klebende Beschichtungen auf Teonex® PEN-Folien aufgebracht werden. Diese vermeiden die Notwendigkeit des thermischen Laminierens und können so die Massenproduktion beschleunigen.

CMC Klebetechnik ist ein Beschichtungsunternehmen, das sich auf technologisch anspruchsvolle Lösungen spezialisiert hat. Zusammen mit Kunden werden produkt- und anwendungsspezifische Lösungen auch im Bereich Brennstoffzellentechnologie erarbeitet und beschichtet.