Innovation im Auftrag des Klimas – thyssenkrupp nucera revolutioniert die Wasserelektrolyse

Jeden Tag forschen und entwickeln unsere Ingenieur:innen über Abteilungen und Branchen hinweg an den Innovationen von morgen. Die Patentierung von Erfindungen ist von hoher Relevanz, um weiterhin wettbewerbsfähig zu bleiben. Das gilt besonders für nachhaltige Technologien, die eine grüne Transformation vorantreiben.

Eines der jüngsten Patente in diesem Bereich: Das „Leitfähige Abstandsgewebe als Elekrodenträger“. Das steckt hinter der patentierten Entwicklung:

Die Power des grünen Wasserstoffs

Konventionell wird Wasserstoff aus Erdgas hergestellt. Bei der Spaltung des Gases in Wasserstoff und Kohlendioxid entsteht viel CO₂. Grüner Wasserstoff hingegen wird mittels Wasserelektrolyse und unter Einsatz von Strom aus 100% erneuerbaren Energien hergestellt. In der Elektrolyse wird Wasser durch Strom in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff gespalten. Es entsteht kein CO₂.

„Aufgrund dieser Eigenschaften wird die Gewinnung von grünem Wasserstoff durch die Elektrolyse als eine Schlüsseltechnologie betrachtet, um eine Dekarbonisierung der Wirtschaft realisieren zu können“, erklärt Dr. Katarzyna Niedziela, IP Coordinator bei thyssenkrupp nucera. Denn: Der grüne Wasserstoff kann nicht nur in den Brenn- und Hochöfen der Zement- und Stahlindustrie eingesetzt werden und dort Emissionen einsparen, er ist zusätzlich eine richtige Power-Chemikalie, die als Basisrohstoff für Ammoniak und Methanol auch zu Düngemitteln und Treibstoff weiterverarbeitet werden kann.

Viel Potential also, um zahlreiche Industrien grüner zu machen und die weltweiten CO₂-Emissionen massiv zu senken. Doch für den globalen Erfolg der Technologie muss sie kostengünstig, ressourcenschonend und auf industriellem Maßstab umsetzbar sein.

Die zero-gap Elektrozelle

Und genau hier setzt die Innovation von thyssenkrupp nucera an. „Die zur Erzeugung von grünem Wasserstoff benötigten Elektrolysezellen bestehen aus zwei Halbzellen, die jeweils eine Elektrode enthalten und durch eine Membran voneinander getrennt sind“, erklärt Dr. Niedziela. „Um einen besonders hohen Wirkungsgrad zu erzielen, muss der Abstand zwischen der Elektrode und der Membran so gering wie möglich sein.“ Die sogenannte zero-gap Elektrozelle ist hierfür das vorteilhafteste Design, da die Elektroden unmittelbar an der Membran anliegen.

Damit der Strom unter den chemischen Bedingungen des Elektrolyseprozesses problemlos von der Elektrode zur Gehäuserückwand abgeführt werden kann, ist ein Element aktuell essenziell: Nickel. „Hierzu wird konventionell ein elastisches Element aus Nickel zwischen Elektrode und Gehäuserückwand eingespannt, das die erforderliche Flächenpressung der Elektrode an die Membran sicherstellt“, so Niedziela. Nickel ist jedoch keine ideale Lösung, denn die Gewinnung des Rohstoffes hat hohe Umweltschäden und Materialkosten zur Folge. Doch unser Team von thyssenkrupp nucera hat hierfür eine Lösung.

null — Die Wasserelektrolyseanlagen von thyssenkrupp

Seit 2019 ist die Innovation mit dem Namen „Leitfähige Abstandsgewebe als Elektrodenträger“ von thyssenkrupp nucera unter dem Aktenzeichen DE 10 2019 219 027.8 als Patentanmeldung beim Deutschen Patent- und Markenamt anhängig und wird auch als internationale Patentanmeldung weiterverfolgt. Die Patentanmeldung reduziert den Nickeleinsatz in der Zelle und zugleich auch ihren Montageaufwand. „Anstelle eines vollständig aus Nickel bestehenden elastischen Elements wird in unseren Anlagen ein Abstandsgewebe aus einem Kunststoff-Filamentgarn in der Zelle eingesetzt, welches den erforderlichen Anpressdruck der Elektrode an die Membran erzeugt. Die erforderliche elektrische Leitfähigkeit wird dabei durch eine metallische Beschichtung des Filamentgarns oder durch eingewebte Metalldrähte erreicht.“, erklärt die Expertin. Das Abstandsgewebe als elastisches Element erfüllt so die zwei essenziellen Funktionen: Elastizität und elektrischen Kontakt.

Eine kleine Veränderung mit großer Wirkung: Denn die Lösung von thyssenkrupp nucera reduziert nicht nur den Einsatz von Nickel und macht die Anlage an sich umweltfreundlicher, die Innovation macht auch die Produktion der Elektrolysezelle einfacher. Das Element muss nicht mehr eingeschweißt, sondern einfach eingelegt werden.

„So wird durch unser patentiertes Verfahren und den Einsatz des Kunststoff-Filamentgarns die Produktion und Wartung der Elektrolyseanlagen günstiger, da die hohen Kosten für Nickel entfallen“, erklärt Dr. Katarzyna Niedziela. Ein enormer Preisvorteil, welcher die Elektrolyseanlage und somit die Produktion von grünem Wasserstoff nicht nur ressourcenfreundlich, sondern auch massentauglich macht. Eine wichtige Grundvoraussetzung, um grünen Wasserstoff auch auf industriellem Maßstab einzusetzen und viele Industrien – von der Stahlproduktion bis hin zur Mobilitätsbranche – umweltfreundlicher zu machen.

Mehr über die Patentarbeit bei thyssenkrupp und weitere spannende Patente aus der Unternehmensgruppe findet ihr in unseren Stories.