Die Anlage in der Werkshalle auf dem Evonik-Gelände in Marl ist so groß wie ein Lastwagengespann. Wenn Produktionsleiter Florian Roghmans erklärt, was hier passiert, muss er gegen das Rauschen der Lüftung ansprechen: „Hier wird die Trägerfolie in die Maschine gezogen“, erklärt der Chemieingenieur und zeigt auf eine durchsichtige Rolle an der linken Seite der Anlage. Die einen Meter breite und nur wenige Mikrometer dünne Bahn wandert unter einem Behälter durch, der mit einer honiggelben Flüssigkeit – der Polymerlösung – gefüllt ist. Sachte wird diese mit einer Rakel auf die Folie übertragen, sodass ein dünner Film zu sehen ist. Mit dem Polymer benetzt und straff gespannt, gleitet die Bahn in den Mittelteil der großen Anlage, zu den Trocknern. Drinnen pusten Düsen warme Luft gegen die Folie, bis sie nach wenigen Minuten am anderen Ende getrocknet wieder herauskommt. „Das sieht alles ganz simpel aus, ist aber ziemlich ausgebufft“, sagt Roghmans. „Das Polymer muss auf der Trägerfolie langsam und gleichmäßig trocknen, sonst gibt es Risse oder Defekte – und das bedeutet Ausschuss.“
Bevor die beschichtete Folie aufgerollt wird, scannen Kameras die Oberfläche. Kein Kratzer, kein Luftbläschen, nicht einmal Löcher von Stecknadelspitzengröße dürfen in der Polymerschicht zu sehen sein. Perfektion ist gefragt, denn im späteren Einsatz muss sie Höchstleistung vollbringen – als Herzstück einer innovativen Elektrolysetechnologie, mit der grüner Wasserstoff effizient und preisgünstig hergestellt werden kann.
Etablierte Technologien mit Schwächen
Wasserstoff, das farb- und geruchlose Gas, gilt als umweltfreundlicher Energieträger der Zukunft, wenn er aus grünem Strom hergestellt wird. Schon heute liegt der weltweite Bedarf bei rund 100 Millionen Tonnen pro Jahr. Wasserstoff wird üblicherweise aus Erdgas erzeugt. Nachhaltiger geht es mittels Elektrolyse: Mit elektrischem Strom aus erneuerbaren Energien wird Wasser in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. Das Einsparpotenzial liegt bei der Umstellung auf grünen Wasserstoff bei rund einer Milliarde Tonnen CO2. Das entspricht rund einem Drittel der energiebezogenen Emissionen der EU.
»Will man auf fossile Rohstoffe verzichten, kommt man an Wasserstoff nicht vorbei.«
Christian Däschlein Leiter New Growth Area AEM in der Evonik Innovation Factory
Doch die gängigen Elektrolyseverfahren weisen Nachteile auf: Je nach Technologie müssen die Anlagen sehr groß ausgelegt oder mit Bauteilen aus teuren Rohstoffen bestückt werden. Die neue Polymermembran aus Marl mit dem Namen Duraion soll jetzt einer Elektrolysetechnologie den Weg ebnen, die die Vorteile der etablierten Verfahren vereint und deren Schwächen vermeidet: der AEM-Elektrolyse. AEM steht für Anion Exchange Membrane – eine Schicht, die zwei Halbzellen der Elektrolyse voneinander trennt, in denen jeweils Wasserstoff oder Sauerstoff entsteht. Die Membran wird dabei von den gebildeten Hydroxidionen (OH–) durchwandert.
Die Membran macht den Unterschied
Wie die Aufspaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff mithilfe einer Anion Exchange Membrane abläuft.
Dass Wasserstoff für die Transformation der Industrie hin zu mehr Nachhaltigkeit und größerer Resilienz eine wichtige Rolle spielt, steht für Christian Däschlein fest. „Will man künftig auf fossile Rohstoffe verzichten, um den CO2-Ausstoß zu senken, kommt man an diesem Energieträger nicht vorbei. Er ist auch unerlässlich, um unser Energiesystem resilienter und somit Europa unabhängiger zu machen“, sagt der Chemiker der Evonik Innovation Factory. Däschlein hat die Membran mit einem mehr als 30-köpfigen Team zur Marktreife entwickelt. Die Chemie- und die Stahlindustrie benötigen Wasserstoff, und auch Gaskraftwerke sollen zunehmend mit ihm betrieben werden. „Entscheidend ist, dass man die Elektrolyseure mit Strom aus erneuerbaren Energien versorgt“, sagt der Evonik-Experte. „Denn nur grüner Wasserstoff ergibt in diesen Industrien langfristig Sinn, um Prozesse und Produkte zu dekarbonisieren.“ Derzeit werden jährlich weltweit rund 100 Millionen Tonnen Wasserstoff benötigt. Schätzungen zufolge soll der Bedarf bis 2050 je nach Szenario auf 300 bis 700 Millionen Tonnen steigen. 60 bis 70 Prozent davon, so sagen es Beratungsfirmen voraus, werden grüner Wasserstoff sein.
Die neue Duraion-Membran könnte der Wasserstoffwirtschaft zusätzlichen Schub verleihen. Und mit der neuen Pilotanlage in Marl steht jetzt eine Anlage zur Verfügung, die den steigenden weltweiten Bedarf an Membranen für die AEM-Elektrolyse decken kann.
Deren Stärke zeigt sich im Vergleich mit den herkömmlichen Verfahren – der alkalischen Elektrolyse (AEL) und der PEM-Elektrolyse (Proton Exchange Membrane). Allen Elektrolyseuren ist gemein, dass Wasserstoff und Sauerstoff sauber voneinander getrennt sind, damit es nicht zu der aus dem Chemieunterricht bekannten Knallgasreaktion kommt. Zwischen den Halbzellen braucht man eine Trennschicht wie die Duraion-Membran.
Die AEL ist der Klassiker, mit dem schon seit Jahrzehnten Wasserstoff erzeugt wird. Die Anlagen arbeiten aus technischen Gründen allerdings nur mit moderaten Stromdichten und nicht unter Druck, weil sonst zu viel Wasserstoff auf der Sauerstoffseite anreichert. Um wirtschaftlich relevante Mengen an Wasserstoff zu erzeugen, müssen sie daher sehr groß ausgelegt werden. Außerdem muss das Gas anschließend mit hohem Energieaufwand komprimiert werden, damit es gespeichert und transportiert werden kann.
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Die PEM-Elektrolyse arbeitet mit höheren Stromdichten und unter Druck und liefert deutlich mehr Wasserstoff als eine AEL gleicher Größe. Wasser wird bei der PEM-Elektrolyse unter stark sauren Bedingungen gespalten. Deshalb müssen korrosionsbeständige Materialien verwendet werden, zum Beispiel Edelmetalle wie Iridium. Das macht die Elektrolyseure teuer. Auch die Membran muss der Säure widerstehen. Sie wird in der Regel aus widerstandsfähigen PFAS gefertigt. Diese Fluorverbindungen stehen allerdings seit Jahren in der Kritik, weil sie sich in der Umwelt anreichern und in Verdacht stehen, gesundheitsschädlich zu sein. Genau hier liegt die Marktchance von Duraion: Bei ihrer Herstellung werden keine PFAS zugesetzt. Die Membran ist also eine leistungsfähige Alternative, die Elektrolyseur-Produzenten bereits heute Planungssicherheit für kommende Umweltauflagen bietet.
Die Beste aus zwei Welten
Die AEM-Technologie umgeht die Nachteile von AEL und PEM. Sie arbeitet mit höheren Stromdichten sowie unter Druck und liefert so eine hohe Wasserstoffausbeute. Zudem arbeitet die Membran nicht in einem sauren, sondern einem alkalischen Milieu. Edelmetalle für das Zelldesign und als Katalysatoren müssen daher nicht zwingend eingesetzt werden. Stattdessen können vergleichsweise günstige Metalle wie Nickel zum Einsatz kommen. So sind die Investitionskosten bei der AEM-Technologie niedriger– ein wichtiger Faktor für großskalige Anwendungen, wie sie beispielsweise in China geplant sind.
Zudem lassen sich AEM-Elektrolyseure schneller hochfahren als etwa AEL-Anlagen. Die Technik eignet sich also sehr gut, um das schwankende Angebot von Sonnen- und Windenergie abzufedern. Steht an einem sonnigen und windigen Tag viel Strom zur Verfügung, könnten AEM-Elektrolyseure kurzfristig ihre Leistung hochfahren und Wasserstoff produzieren. Bislang wird der Überschuss durch das europäische Stromnetz in Nachbarstaaten abgeführt, oder es müssen sogar Anlagen abgeschaltet werden. Die dadurch entstehenden Entschädigungs- und Netzengpasskosten tragen die Netzbetreiber und letztlich die Stromkunden. „Stattdessen könnten wir mit dem Stromüberschuss quasi zum Nulltarif Wasserstoff produzieren“, sagt Christian Schnitzer, der im Geschäftsgebiet High Performance Polymers für Duraion zuständig ist.
Trotz dieser Vorteile ist die AEM eine Nischentechnologie. Für einen Durchbruch der Technologie fehlte es bislang an leistungsfähigen und zuverlässigen Membranen, die sich in großer Menge herstellen lassen. Zwar haben verschiedene Start-ups in den vergangenen Jahren einige anionenleitende Membranen auf den Markt gebracht. Aber niemand konnte Membranen in ausreichender Menge und gleichbleibender Qualität liefern, die für einen Durchbruch der AEM-Technologie nötig wären. Durch die vollständige Rückwärtsintegration – von den Startmolekülen bis hin zur fertigen Membranrolle – kann Evonik mit Duraion beide Anforderungen erfüllen. Mit der jetzt in Betrieb genommenen Anlage steht die Membran in großem Maßstab zur Verfügung. Schnitzer: „Mit unserer Beschichtungsbreite von 100 Zentimetern werden wir auch die größten AEM-Elektrolyseure mit Membranen versorgen können.“
Ein langer Weg
Nach ersten Tests haben Kunden das Gesamtpaket aus Verfügbarkeit, Qualität und Eigenschaften der Membranen gelobt: Sie sind sowohl chemisch und mechanisch stabil als auch sehr gut anionenleitend. Außerdem sind sie gasdicht, sodass sie hohen Drücken standhalten.
Der Weg bis zur Serienreife der Hochleistungsmembran war lang. „Die Idee entstand vor mehr als zehn Jahren, als wir die Entscheidung trafen, auf Wasserstoff zu setzen“, erzählt Schnitzer. „Evonik verfügt über viel Expertise bei Membranen, zum Beispiel bei Produkten zur Aufbereitung von Gasen. Da lag es nahe, auch die Elektrolyse zu adressieren.“
Das Team begann mit der Entwicklung des Polymers. Es war klar, dass das Material viele Ansprüche erfüllen muss, und es galt, die richtigen Bausteine – Monomere – zu finden. Vor etwa fünf Jahren stand die chemische Struktur von Duraion fest. „Damals haben wir die Eigenschaften des entwickelten Polymers bereits in Membranform getestet“, erzählt Christian Däschlein. Zwei Jahre später entwickelte das Team zudem eine Version mit Gewebeverstärkung, um alle Kundenanforderungen erfüllen zu können. „Beide Produkte haben wir anfangs von Hand als Folien ungefähr im DIN-A4-Format hergestellt.“
Als nächstes ging es ans Scale-up, den Schritt von den Laborbedingungen zur Produktion im großen Maßstab – in diesem Fall sowohl der Polymerlösung als auch der Membranherstellung. Es ist ein Riesenunterschied, ob man 100 Gramm eines Polymers in einem kleinen Glaskolben herstellt oder Hunderte Kilo in einem großen Kessel. Im Laborkolben hat man die Komponenten schnell verrührt, und die Wärme ist überall einheitlich. In einem großen Kessel wird die gleichmäßige Durchmischung und Erwärmung zur Herausforderung. „Doch glücklicherweise haben wir das nötige Know-how im eigenen Haus – von der Grundlagenchemie bis zum Anlagenbau“, sagt Däschlein. „Für das Scale-up haben wir Spezialisten von verschiedenen Standorten zusammengeholt.“
Schritt für Schritt wachsen
Bis zur Rolle-zu-Rolle-Fertigung in der 20-Meter-Anlage dauerte es allerdings. Das Team tastete sich langsam an die Industriedimension heran. Zunächst produzierten die Experten Membranen von 13 Zentimeter Breite auf einer Anlage von der Größe eines Wohnzimmerschranks. Damit konnten sie testen, wie gut sich das Polymer in einem kontinuierlichen Prozess verarbeiten lässt, um Maschine und Material perfekt aufeinander abzustimmen. Vor etwa drei Jahren machte sich dann Florian Roghmans mit seinem Team an die Planung der nächsten Ausbaustufe: „Wir hatten jetzt zwar eine Ahnung davon, wie sich die Membran Rolle-zu-Rolle fertigen lässt. Aber eine große Anlage ist noch mal etwas anderes“, sagt er. „Zum Beispiel verteilen sich die Luftströmung und die Wärme darin nicht so wie in der kleinen Anlage.“
Zudem musste es gelingen, die flüssige Polymerschicht mit einem dünnen Verstärkungsgewebe zu vereinen. Dieses Gewebe ermöglicht es, dass die Membranen während des Betriebs im Elektrolyseur weniger quellen, um nicht Falten zu werfen wie die Haut des Menschen nach einem langen Wannenbad. Ionenleitende Polymere sind wasseraffin, sodass sie sich in einer feuchten Umgebung um 10 bis 20 Prozent ausdehnen. Wird ein wasserabweisendes Gewebe in das Polymer eingebettet, verringert das die Wasseraufnahme und verhindert, dass die Membran im Elektrolyseur Wellen wirft. „Das ist vor allem bei großen Elektrolyseuren ein Thema, in denen man die Membranen großflächig verbaut“, erklärt Roghmans. Die Anlage in Marl musste also in der Lage sein, das Verstärkungsgewebe so präzise im Polymer zu positionieren, dass es in der Mitte der hauchdünnen Honigschicht eingebettet ist und weder oben noch unten herausschaut. Dafür wickelt die Anlage die Trägerfolie und das Gewebe zeitgleich von zwei Rollen ab. Dort, wo das Gewebe und die beschichtete Bahn aufeinandertreffen – am Kaschierpunkt –, wird es in die Polymerlösung eingedrückt.
Produktion in großem Stil
Seit Kurzem ist die Pilotanlage in Betrieb. „Das ist hier keine Forschungseinheit mehr, sondern tatsächlich der Startpunkt, um unser Produkt in den Markt zu bringen“, sagt Christian Däschlein. „In der aktuellen Ausbaustufe sind wir in der Lage, Membranen für eine Elektrolyseleistung von bis zu 2,5 Gigawatt herzustellen. Das entspricht einem Viertel der geplanten Elektrolyseleistung in Deutschland für das Jahr 2030.“
Erste Hersteller von AEM-Elektrolyseuren setzen die Duraion-Membranen bereits in der Pilotfertigung und Demonstrationsanlagen ein. „Wir können jetzt nicht nur große Mengen liefern, sondern auch eine gleichbleibend hohe Qualität.“ Das sei das A und O für die Hersteller von Elektrolyseuren.
Die Duraion-Membran und mit ihr die AEM-Technologie könnten neuen Schwung in die Wasserstoffproduktion bringen. Die Membran ist zuverlässig und robust, senkt die Investitionskosten von Elektrolyseuren und kann dank der großskaligen Rolle-zu-Rolle-Fertigung jetzt im großen Stil an den Markt gebracht werden. Die Ausbauziele in Deutschland und Europa wurden in den vergangenen Jahren hochgesteckt: Die Bundesregierung hat in der Fortschreibung der Nationalen Wasserstoffstrategie als Ziel eine Elektrolyseleistung von zehn Gigawatt für 2030 ausgegeben – was immerhin rund zwölf Prozent der in Deutschland installierten Windradleistung entspricht.
Doch der Ausbau ist ins Stocken geraten. Konkret seien jetzt nur noch 7,2 Gigawatt geplant, heißt es beim Verband Gas- und Wasserstoffwirtschaft. „Besonders auf der Produktionsseite wurden zahlreiche Elektrolyseprojekte aufgeschoben oder abgesagt, da die Förderbedingungen unzureichend sind“, beklagt Verbandsgeschäftsführer Timm Kehler. Zudem sei nicht sicher, dass produzierter Wasserstoff auch abgenommen wird (siehe auch das Interview mit Ann-Kathrin Klaas).
Man stehe in Deutschland und Europa vor einem Henne-Ei-Problem, meint Kehler: Muss erst der Wasserstoff da sein oder erst die Nachfrage? „Wir benötigen praxistaugliche und verlässliche Rahmenbedingungen für die Produktion von Wasserstoff – insbesondere von grünem Wasserstoff. Dazu braucht es von der Politik ein verbindliches Elektrolyseausbauziel, langfristige Abnahmeinstrumente und wettbewerbsfähige Strompreise.“ Nur dann hätten die Unternehmen Investitionssicherheit, und nur dann ließe sich der Hochlauf beschleunigen. Die Duraion-Membran könnte wesentlich dazu beitragen. Immerhin hat sie das Potenzial, die Elektrolyse preiswerter zu machen. Zudem steht mit Evonik ein zuverlässiger Lieferant für die AEM-Technologie zur Verfügung.
Deutlich mehr Schwung hat der Wasserstoffmarkt in China. Während in Europa noch über regulatorische Hürden debattiert wird, ist Wasserstoff in der nationalen Strategie der Volksrepublik bereits verankert. Die dortige Dynamik ist für Evonik kein fernes Szenario, sondern unmittelbare Geschäftsentwicklung: AEM-Elektrolyseure sind in Asien weitverbreitet, und der Hunger nach leistungsfähigen Membranen ist enorm. „Dort wird die Technologie bereits im industriellen Maßstab skaliert“, berichtet Christian Schnitzer. Ein interessanter Markt für die Membranen aus Marl.
Der Geschäftsverantwortliche für Duraion gibt sich optimistisch: Wasserstoff werde sich durchsetzen, früher oder später, zunächst in Asien und Europa – und entsprechend wachsen. „Für diesen Fall sind wir in der Lage, große Mengen an Membranen herzustellen – zu attraktiven Kosten.“ 
Marl trifft Schanghai
Neues Anwendungstechnikzentrum von Evonik nimmt in China den Betrieb auf.
In China wächst der Bedarf an Wasserstoff – und mit ihm das Interesse an der AEM-Technologie. Evonik positioniert sich hier strategisch: Parallel zum Start der Membranproduktion in Deutschland nimmt das neue AEM Center in Schanghai seine Arbeit auf. Es ist das erste technologieorientierte Anwendungstechnikzentrum des Konzerns in Asien mit Fokus auf die AEM-Elektrolyse und ihre Integration in die Wasserstoffinfrastruktur.
Dort testen Experten die in Marl produzierten Membranen gemeinsam mit lokalen Partnern und Kunden unter industriellen Bedingungen. Das Center richtet sich an globale Abnehmer und ist zugleich eng an den chinesischen Markt angebunden – mit dem Ziel, die AEM-Technologie schnell in industrielle Anwendungen zu überführen und ihre Verbreitung voranzutreiben.
