Wasserstoff aus Meerwasser: Elektrolyse bleibt erstmals stabil
Doppel-Kathoden-System ermöglicht stabile Wasserstoffproduktion aus Meerwasser – ohne externe Reinigung.
Forschende entwickeln selbstreinigende Elektroden für Meerwasser-Elektrolyse – stabiler Betrieb über 400 Stunden.
Foto: KOREA INSTITUTE OF ENERGY RESEARCH
Die direkte Elektrolyse von Meerwasser gilt als Schlüssel für skalierbare Wasserstoffproduktion. Süßwasser ist knapp, Meerwasser dagegen nahezu unbegrenzt verfügbar. Das zentrale Problem ist seit Jahren bekannt: Ablagerungen aus Magnesium- und Kalziumverbindungen blockieren die Elektroden. Die Leistung sinkt, der Energiebedarf steigt.
Ein Forschungsteam um Dr. Ji-Hyung Han vom Korea Institute of Energy Research (KIER) zeigt nun einen anderen Ansatz. Statt Ablagerungen zu vermeiden, kontrolliert das System ihre Entstehung – und nutzt sie für eine kontinuierliche Selbstreinigung.
Inhaltsverzeichnis
Warum Meerwasser-Elektrolyse bisher scheitert
Bei der Wasserstoffproduktion läuft an der Kathode die sogenannte Wasserstoffentwicklungsreaktion (HER). Dabei entsteht lokal ein basisches Milieu. In Meerwasser führt das dazu, dass gelöste Ionen wie Mg²⁺ und Ca²⁺ als Hydroxide ausfallen.
Diese Ablagerungen wirken wie eine isolierende Schicht:
- aktive Katalysatorflächen werden blockiert
- der elektrische Widerstand steigt
- die notwendige Spannung nimmt zu
In klassischen Systemen wächst diese Schicht kontinuierlich. Nach rund 100 Betriebsstunden kann die Elektrode praktisch inaktiv werden.
Zwei Elektroden statt einer: Architektur statt Materialtrick
Der neue Ansatz setzt nicht bei Materialien an, sondern beim Systemdesign. Statt einer Kathode kommen zwei zum Einsatz, die abwechselnd betrieben werden.
Das Prinzip:
- Elektrode A produziert Wasserstoff und verschmutzt
- Elektrode B pausiert
- nach 48 Stunden wird umgeschaltet
Während eine Elektrode arbeitet, regeneriert sich die andere.
Entscheidend ist ein zweiter Effekt: Das System nutzt eine bipolare Membran, die Protonen freisetzt. Dadurch entsteht im Elektrolyten ein saures Milieu mit pH-Werten um 2. Dieses saure Umfeld löst die zuvor gebildeten Ablagerungen wieder auf.
Dr. Ji-Hyung Han erklärt: „Diese Studie zeigt, dass das Problem der Ausfällungen […] allein durch die Gestaltung der Systemarchitektur kontrolliert werden kann.“
Selbstreinigung im laufenden Betrieb
Der Prozess folgt einem wiederkehrenden Zyklus. Zunächst bilden sich Ablagerungen auf der aktiven Elektrode, während dort Wasserstoff erzeugt wird. Nach einer definierten Betriebszeit schaltet das System um, sodass die zweite Elektrode die Produktion übernimmt.
Die zuvor belastete Elektrode befindet sich nun im Ruhezustand und wird dem angesäuerten Elektrolyten ausgesetzt. In dieser Phase lösen sich die gebildeten Ablagerungen wieder von der Oberfläche.
Die Reinigung erfolgt ohne externe Chemikalien oder mechanische Eingriffe. Das notwendige saure Milieu entsteht direkt im System durch den Protonenfluss der bipolaren Membran und die elektrochemischen Reaktionsgleichgewichte.
In den Versuchen blieb die Elektrolyse über mehr als 400 Stunden stabil. Die Ablagerungen erreichten dabei eine begrenzte Dicke und wuchsen nicht weiter an.
Energieverbrauch bleibt nahezu konstant
Der entscheidende Vorteil zeigt sich im Energiebedarf.
| Kennzahl | Ein-Kathoden-System | Zwei-Kathoden-System |
| Energieanstieg nach 200 h | +27 % | +1,8 % |
| Betriebsverhalten | starke Degradation | stabil |
| Katalysatorverlust | ~53 % | ~20 % |
Im klassischen System steigt der Energiebedarf deutlich, weil die Ablagerungen den Widerstand erhöhen. Beim neuen Ansatz bleibt dieser Effekt weitgehend aus.
Allerdings bedeutet das nicht, dass das System verlustfrei arbeitet. Auch hier verschlechtert sich die Leistung leicht, insbesondere bei höheren Stromdichten.
Technische Einordnung: Noch kein Industriestandard
Noch ist der Weg in die Praxis weit. Die Versuche wurden bei einer Stromdichte von 100 mA/cm² durchgeführt. Industrielle Elektrolyseure arbeiten in der Regel bei deutlich höheren Werten, sodass die Übertragbarkeit noch offen ist. Zudem bleibt der Verlust des Katalysators messbar, was die Langzeitstabilität einschränkt. Auch die Membran stellt derzeit einen begrenzenden Faktor dar, da ihre Haltbarkeit unter Betriebsbedingungen nicht unbegrenzt ist.
Hinzu kommt ein systemischer Aspekt: Die zusätzliche Elektrode und die notwendige Umschaltlogik erhöhen die Komplexität der Anlage. Gleichzeitig verschwinden die Ablagerungen nicht vollständig. Sie sammeln sich im Reaktorboden und müssen regelmäßig entfernt werden. Auch das Meerwasser muss teilweise ausgetauscht werden, um die Konzentration der gelösten Ionen und damit die Prozessbedingungen stabil zu halten.
Warum der Ansatz trotzdem interessant ist
Der eigentliche Fortschritt steckt hier weniger in einem neuen Material, sondern in der Art, wie das System gedacht ist. Bisher versuchen viele Ansätze, das Problem mit immer besseren Katalysatoren, aufwendig aufbereitetem Wasser oder zusätzlichen Reinigungsverfahren in den Griff zu bekommen.
Hier geht man einen anderen Weg. Ablagerungen werden nicht mehr krampfhaft verhindert, sondern einfach in Kauf genommen – und dann gezielt kontrolliert. Das System nutzt genau diese Prozesse und sorgt dafür, dass sich die Elektroden im Betrieb immer wieder selbst freimachen.
Das hat einen klaren Vorteil: Die Anlage muss seltener angehalten werden. Weniger Stillstand bedeutet am Ende auch geringere Betriebskosten. Dafür wird die Technik etwas komplexer und die Anfangsinvestition steigt. Unterm Strich verschiebt sich der Fokus also: weg von möglichst einfachen Komponenten hin zu einem stabil laufenden Gesamtsystem.
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