Doktorandin blickt in ein Röntgenmikroskop

Innovation

Wasserstoff: Element der Zukunft

24. März 2025 6 Min. Lesedauer

Auf dem Gelände des Forschungszentrums Jülich wechseln sich Bürogebäude und Labore mit großen Versuchshallen ab. Im Hintergrund das gleichmäßige Brummen unterschiedlicher Anlagen und Turbinen. Der rege Straßenverkehr und die weiten Wege erinnern an eine Stadt, in welcher der Puls der Wissenschaft schon von der ersten Sekunde an spürbar ist. Hier wird an Themen geforscht, die das Potenzial haben, unsere Gesellschaft und Industrie in den kommenden Jahren komplett umzukrempeln. Besonders im Fokus steht dabei eine nachhaltige Energiewirtschaft, die darauf abzielt, die Zukunft lebenswerter zu gestalten.

Eva Jodat, Acting Department Head, und Christine Heume, Doktorandin — Eva Jodat (auf dem Bild links), Acting Department Head, und Christine Heume, Doktorandin, im Forschungszentrum Jülich.

Zwei Wegbereiterinnen für die Energie von morgen sind Eva Jodat (auf dem Bild links) und Christine Heume. Die beiden Wissenschaftlerinnen forschen in Jülich an einem Element der Zukunft: Wasserstoff. Sie sind überzeugt, dass dieses Element die Lösung für eine nachhaltige und erdölfreie Industrie darstellt, insbesondere wenn es mithilfe von Strom aus erneuerbaren Energiequellen hergestellt wird. Im Mittelpunkt der Forschung steht das sogenannte "De-Risking" von Elektrolyseuren, bei dem die Alterungsprozesse der Geräte untersucht werden, die für die Wasserstoffproduktion erforderlich sind.

Weitere Informationen zum Thema Wasserstoff und Wasserstoffforschung am Forschungszentrum Jülich in Deutschland

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Für die Untersuchung der Membran-Elektrodeneinheit eines Elektrolyseurs wird diese zerschnitten und in Probenhalterungen gegeben.
Mit dem Xradia 620 Versa untersucht Christine Heume die Membran-Elektrodeneinheit.
Mit Hilfe von Rasterelektronenmikroskopie können Veränderungen in der Membranstruktur weiter untersucht werden.
In weiteren Untersuchungsschritten ermöglicht Spektroskopie Einblicke in chemische Prozesse.

Effizienzsteigerung für eine nachhaltige Zukunft

Das Hauptproblem bei der Herstellung von Wasserstoff besteht darin, dass Elektrolyseure im Laufe der Zeit an Effizienz verlieren, was die Umwandlung von Energie in Wasserstoff weniger rentabel macht. In ihrer Forschung gehen Eva Jodat und Christine Heume diesen Effizienzverlusten bei Elektrolyseuren auf den Grund, um sie zu minimieren. Dabei kommen Röntgenmikroskope von ZEISS, wie das Xradia 620 Versa, zum Einsatz.

Mit bildgebenden 3D-Methoden können die Forscherinnen ganz ohne Zerstörung einen Blick in das Herzstück des Elektrolyseurs, die Membran-Elektrodeneinheit, werfen und Veränderungen feststellen. Beispielsweise nehmen sie mithilfe der Computertomographie (CT) mehrere Röntgenbilder aus verschiedenen Winkeln auf und rekonstruieren aus diesen ein präzises dreidimensionales Bild von den komplexen Strukturen und Ereignissen innerhalb der Membran.

Mit Hilfe von Rasterelektronenmikroskopie, beispielsweise dem ZEISS GeminiSEM, können im nächsten Schritt die strukturellen Veränderungen weiter untersucht werden. So erhalten die Forscherinnen wichtige Einblicke, um die Elektrolyseure verbessern zu können. Die gewonnenen Erkenntnisse stellen die beiden durch Veröffentlichungen der ganzen Forschungs-Community zur Verfügung und leiten diese auch unmittelbar an Kooperationspartner aus der Industrie weiter.

Foto: Jenö Gellinek
Auf dem Jülicher Forschungsgelände befindet sich ein gigantischer Forschungsaufbau eines Megawatt-Elektrolyseurs, der gemeinsam mit Siemens Energy betrieben wird.
Foto: Jenö Gellinek
Der Großelektrolyseur ermöglicht die Forschung auf industriell relevanter Skala.

Die enge Verzahnung von Forschung und Industrie ist eine Besonderheit am Forschungszentrum Jülich. Sie zeigt sich nicht nur im intensiven Austausch von Erkenntnissen zwischen den Akteuren, sondern auch in einem beeindruckenden Forschungs-Megawatt-Elektrolyseur, der auf dem Forschungsgelände gemeinsam mit dem Industriepartner Siemens Energy betrieben wird. Von der mehrere Meter hohen Anlage sind selbst Eva Jodat und Christine Heume jedes Mal aufs Neue beeindruckt. Der Großelektrolyseur ermöglicht es ihnen, ihre Forschung in der Wasserstofftechnologie nicht nur im Labormaßstab, sondern auch auf industriell relevanter Skala durchzuführen.

Denn hier können mit Hilfe des Teststands zahlreiche Parameter untersucht und optimiert werden, die für die Kosten und Lebensdauer von Elektrolyseuren maßgeblich sind. Mit Hilfe Dutzender Sensoren, Kameras und komplexer Messtechnik auf allen Ebenen, kann hier die Alterung von Elektrolysezellen erforscht werden, um sie besser zu verstehen. Anschließend werden die Erkenntnisse aus diesem Leitprojekt in kommende Elektrolyseur-Generationen einfließen: „Mit der Erforschung und Weiterentwicklung der Wasserelektrolyse im Megawattmaßstab setzen wir weltweit neue Maßstäbe im Miteinander von Wissenschaft und Wirtschaft“, betont Eva Jodat.

Das Besondere an unserer Forschung ist, dass wir nicht nur im kleinen Maßstab im Labor arbeiten, sondern auch auf Megawatt-Ebene untersuchen, wie sich Elektrolyseure verhalten. Es bestehen erhebliche Unterschiede zwischen den Beobachtungen im Labormaßstab und den tatsächlichen Abläufen in einer industriellen Anlage.

Eva Jodat Acting Department Head, Forschungszentrum Jülich

Big Numbers

Wasserstoff als Element der Zukunft

38 Mio.

Tonnen schadstoffarmer Wasserstoff könnten in Zukunft pro Jahr produziert werden.¹
Rund 10%

des EU-Energiebedarfs sollen bis 2050 durch erneuerbaren Wasserstoff gedeckt werden.²
Bis 2050

dürften laut McKinsey & Company die Kosten für die Produktion von sauberem Wasserstoff deutlich sinken.³
2,01 g

wiegt ein Mol Wasserstoff aus zwei Atomen. Es ist das leichteste chemische Element.⁴
1874

erschien Jules Vernes Roman „Die geheimnisvolle Insel“, in dem Wasserstoff als die Kohle der Zukunft bezeichnet wird.⁵

Grafik von Elektrolyseure mit Polymer-Elektrolyt-Membran — Elektrolyseure mit Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM) trennen Wassermoleküle mit Hilfe von elektrischem Strom an einer Anode. Daraus resultieren Sauerstoff und H⁺ Ionen. Die Ionen wandern durch die Membran und reagieren an der Kathode zu Wasserstoff.

Wasserstoff als Beitrag zur Energiewende

In der Vergangenheit konnten die Wissenschaftlerinnen eine strukturelle Veränderung in der Membran erforschen, diese Erkenntnisse können direkt in das Re-Design von Elektrolyseur-Komponenten einfließen und so die Wasserstoffproduktion verbessern. Damit leisten sie einen wichtigen Beitrag zur Energiewende. Wenn Elektrolyseure effizienter und damit kostengünstiger werden, könnte in Zukunft in jedem Industriepark oder privaten Haushalt ein solcher Energieumwandler installiert sein. So kann grüner Wasserstoff unter anderem durch Wind- oder Solarenergie erzeugt werden, der dann beispielsweise für die Stahl- oder Kunststoffherstellung genutzt wird.

Im privaten Umfeld kommt Wasserstoff unter anderem im Bereich Mobilität für LKW und Autos oder zum Betreiben der eigenen Heizung zum Einsatz. Haushalte können außerdem den Strom aus ihren Solaranlagen nutzen, um Wasserstoff für ihren Privatgebrauch herzustellen. Dank innovativer Behälter und der bestehenden Gas-Infrastruktur kann Wasserstoff zudem gespeichert und je nach Bedarf in Strom umgewandelt werden. Da bei der Umwandlung in Energie keine umweltschädlichen Nebenprodukte erzeugt werden, trägt der vermehrte Einsatz wesentlich zum Gelingen der Energiewende bei.

Die Möglichkeit die Zukunft maßgeblich mitzugestalten, motiviert die beiden Wissenschaftlerinnen zu ihrer Forschungsarbeit. Denn beide sind sich einig, dass die Gesellschaft einen Ausweg aus der erdölbasierten, nicht nachhaltigen Energiewirtschaft finden muss. Mit ihrer Forschung leisten sie einen wertvollen Beitrag dazu, und darauf sind sie besonders stolz. Im Gespräch mit ihnen wird sofort spürbar: Ihr Herz schlägt für die Wasserstoffforschung.

Wenn wir in die Zukunft blicken, wird schnell klar, dass wir handeln müssen. Als Wissenschaftlerin strebe ich danach, die Welt ein Stück zu verbessern. Daher fühlt es sich gut an, an Projekten für eine nachhaltigere Energiewirtschaft mitarbeiten zu können – und wie in unserem Fall zu einem Re-Design von Elektrolyseuren beizutragen.

Christine Heume Doktorandin am Forschungszentrum Jülich

Wasserstoff, der mit Hilfe von erneuerbaren Energien hergestellt wird, ermöglicht die Verringerung der CO₂-Emissionen beispielweise im Industrie-, Verkehrs- und Privatsektor.

Wasserstoff soll damit eine tragende Säule der Energiewende werden. Als Meister der Vielseitigkeit bietet er zahlreiche Einsatzmöglichkeiten – vom Benzinersatz bis zum Stromspeicher. Er ist das kleinste und leichteste der chemischen Elemente. Beim Umbau der Energiewelt aber spielt Wasserstoff eine gewichtige Rolle. Die Substanz mit der Formel H₂ eignet sich als alternativer Kraftstoff für Lkw, Schiffe und Flugzeuge. Wasserstoff kann Erdöl und Erdgas in der Chemie- und Stahlindustrie ersetzen und als Zwischenspeicher für erneuerbare Energien fungieren.
Um Wasserstoff als attraktiven Energielieferanten und -speicher zu etablieren, muss die Herstellung wirtschaftlicher werden. Aktuell verlieren Elektrolyseure im Laufe ihres Alterungsprozesses jedoch an Effizienz. Das Forschungszentrum Jülich untersucht die Ursachen dafür und sucht nach Lösungen.

Dabei richten die Forschenden ihr Augenmerk auf drei Schwerpunkte der Wasserstoffforschung: Erstens auf die Produktion von Wasserstoff. Denn es gibt unterschiedliche Wege, den „Stoff der Zukunft“ und Hoffnungsträger der Energiewende herzustellen. Dabei geht es hauptsächlich darum, etablierte Verfahren zur Produktion von Wasserstoff, wie beispielsweise die Elektrolyse, kostengünstiger und nachhaltiger zu machen. Zweitens muss Wasserstoff, um als Energieträger kurzfristig verfügbar zu sein, sicher gespeichert und zuverlässig transportiert werden. Das kann in unterirdischen Speichern geschehen, beispielweise im bereits vorhandenen Erdgasnetz oder mit Hilfe neuer Technologien. Drittens arbeiten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler am Forschungszentrum Jülich daran, den Wirkungsgrad, die Langlebigkeit sowie die Leitungsfähigkeit von Brennstoffzellen zu verbessern.

In einer Brennstoffzelle reagieren Wasserstoff (H₂) und Sauerstoff (O₂), wobei Wasser (H₂O) und Strom als Nebenprodukt entstehen.

Die grundlegenden Komponenten einer Wasserstoff-Brennstoffzelle sind:

Anode: Hier wird Wasserstoff in Protonen und Elektronen aufgespalten.

Elektrolyt: Lässt nur Protonen durch und verhindert den direkten Kontakt zwischen Wasserstoff und Sauerstoff.
Kathode: Hier reagieren die Protonen mit Sauerstoff zu Wasser, während die Elektronen über einen äußeren Stromkreis fließen und elektrische Energie liefern.

Diese Technologie ist besonders relevant für emissionsfreie Energieerzeugung in Fahrzeugen, stationären Energiequellen und tragbaren Anwendungen.
Mit Röntgenmikroskopen wie dem ZEISS Xradia 620 Versa können Alterungsprozesse im Inneren von Elektrolyseuren mittels CT-Methode untersucht werden, ohne diese zu zerstören. Darüber hinaus bieten ZEISS Rasterelektronenmikroskope wie das GeminiSEM (SEM) wichtige Funktionen für die Erforschung der Alterungsprozesse, wodurch Details noch klarer abgebildet werden können.

Außerdem trägt ZEISS durch Investitionen in fortschrittliche Messtechniken und Software für Messtechnik dazu bei, die Effizienz und Zuverlässigkeit von Wasserstofftechnologien zu verbessern und ebnet so den Weg für eine saubere, nachhaltige Energiezukunft.