Galvanotechnik als Schlüsselindustrie auf dem Weg zur Wasserstoffwirtschaft

Oberflächen 07. 03. 2021

Von Dr. Martin Metzner, Fraunhofer IPA

Galvanotechnisch erzeugte Oberflächen werden in zukünftigen Anwendungen in der Wasserstoffwirtschaft eine wesentliche Rolle spielen. Und umgekehrt werden diese Anwendungen neue Märkte für die Galvanotechnik eröffnen.

Die Erzeugung von Wasserstoff aus regenerativ gewonnener elektrischer Energie und die Rückumwandlung des Wasserstoffs in elektrische Energie hat von Natur aus eine enge Bindung an die Galvanotechnik, denn bei beiden handelt es sich um elektrochemische Prozesse.

Die jeweiligen Umwandlungsprozesse hin zum Wassersoff in Elektrolyseuren und zurück in elektrische Energie in Brennstoffzellen muss naturgemäß mit möglichst hohen Wirkungsgraden, also möglichst wenig Verlust erfolgen. Dabei gilt es auch zu beachten, dass Lastzyklen und Wiederanlauf nach Stillstandszeiten ebenso verlustarm erfolgen müssen – Strom für Elektrolyseure aus regenerativen Energien fließt schließlich nur, wenn der Wind bläst oder die Sonne scheint.

Aktive Elektrodenoberflächen mit möglichst geringen Überspannungen stehen hier im Zentrum, idealerweise verbunden mit ­einer möglichst großen tatsächlichen ­Oberfläche im Sinne einer Mikrostrukturierung. Dabei müssen diese Oberflächen noch den meist sehr aggressiven und korrosiven Bedingungen standhalten. Die Galvanotechnik bietet dabei vielfältige Möglichkeiten, maßgeschneiderte Oberflächen zu erzeugen, die hinsichtlich Legierungszusammensetzung, Kristallgröße und Topographie optimal auf die jeweiligen Bedingungen abgestimmt sind.

Materialeffizienz im Fokus

Besonderes Augenmerk ist dabei auf die Materialeffizienz zu legen, hier liegt eine der großen Stärken galvanotechnischer Verfahren. Die Aktivschichten basieren meist auf Edelmetallen, häufig sind es Elemente aus der Platingruppe. Dabei gilt es natürlich, so sparsam wie möglich zu arbeiten, also Legierungen zu erzeugen, die möglichst wenig solcher Elemente beinhalten, Kristalle zu erzeugen die so klein wie möglich sind, Schichten abzuscheiden, die nur so dick wie absolut nötig sind und schließlich nur die tatsächlichen Funktionsflächen zu beschichten.

Hier kann die Galvanotechnik durch gezielte Prozessführung und Anlagengestaltung ihre volle Stärke ausspielen. Ein Beispiel soll die Dimensionen der notwendigen Materialeffizienz zeigen: Protonen-Austausch-Membran-Elektrolyseure (PEM-­Elektrolyseure) sind anodenseitig von Iridiumoberflächen abhängig. Einzige Alternative dazu sind mit Einschränkungen Rutheniumoberflächen. Die jährliche Fördermenge an Iridium ­beträgt etwas mehr als vier Tonnen – weltweit. Es ist leicht vorstellbar, dass die zukünftig benötigten Elektrodenflächen beim Übergang zur Wasserstoffwirtschaft die verfügbaren Reserven solcher Metalle schnell aufzehren werden, wenn nicht größtmöglicher Wert auf einen extrem sparsamen Materialeinsatz gelegt wird. Und daraus leiten sich Chancen für die galvanotechnische Forschung und zukunftssichere Marktpotenziale für die galvanotechnische Industrie ab.

Dies ist aber nur eine der werkstofftechnischen Herausforderungen beim Übergang in die Wasserstoffwirtschaft. Dass dabei auch Aspekte wie Wasserstoffversprödung beziehungsweise Sperrschichten eine Rolle spielen werden, liegt auf der Hand.

Diese und viele weitere technische Herausforderungen hat die Politik erkannt und das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) unterstützt die Wissenschaft, wesentlich, zum Beispiel in dem in Vorbereitung befindlichen Leitprojekt H2GIGA, in dem mehr als 130 Unternehmen und Institute in vielen Verbundprojekten die einzelnen Herausforderungen angehen werden. Die zugehörigen Anträge werden aktuell eingereicht; die Galvanotechnik des Fraunhofer IPA ist dabei ebenfalls engagiert; wenn erste Ergebnisse vorliegen, wird darüber an dieser Stelle berichtet werden.

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