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Forschung: Elektrolysezelle Neue Elektrolysezelle generiert Wasserstoff-Peroxid aus Überschuss-Strom

| Redakteur: Dominik Stephan

Um Stromspitzen bei der regenerativen Energiewandlung aus Wind oder Sonne auszugleichen, kann Überschussstrom auch für die dezentrale Herstellung von Chemikalien genutzt werden. Das Fraunhofer IGB hat eine Elektrolysezelle entwickelt, in der sich mit elektrischer Energie nur aus Wasser und Luft Wasser-stoffperoxid herstellen lässt. Eine mögliche Anwendung der H2O2-Synthese direkt vor Ort ist die oxidative Abwasserreinigung.

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Nur aus Luft und Wasser stellen Fraunhofer-Forscher in dieser elektro-lytischen Zelle mit Strom Wasserstoff-peroxid für den dezentralen Einsatz her.
Nur aus Luft und Wasser stellen Fraunhofer-Forscher in dieser elektro-lytischen Zelle mit Strom Wasserstoff-peroxid für den dezentralen Einsatz her.
(Bild: Fraunhofer IGB)

Holzfarbiger Zellstoff, aus dem weißes Papier werden soll, störende Zahnverfärbungen oder die Desinfektion von Arbeitsflächen in Krankenhäusern und Anlagen in der Lebensmittelproduktion: Wegen seiner stark oxidierenden und zelltoxischen Wirkung wird Wasserstoffperoxid in vielen technischen Bereichen, in der Kosmetik und Medizin als Bleich- und Desinfektionsmittel eingesetzt. Auch in der oxidativen Wasseraufbereitung hat sich Wasserstoffperoxid etabliert. Unter Einwirkung von UV-Licht entstehen hierbei aus Wasserstoffperoxid Hydroxyl-Radikale, die biologisch nur schwer abbaubare organische Moleküle zerstören.

Zumeist wird Wasserstoffperoxid großtechnisch in zentralen Chemieanlagen produziert, in der Regel aus Sauerstoff und Wasserstoff und mit einem Katalysator aus teurem Platin. Da sich Wasserstoffperoxid in hochkonzentrierten Lösungen spontan zersetzen und explodieren kann, ist sein Transport nur als Gefahrstoff und unter großen Sicherheitsvorkehrungen möglich. Dies treibt die Transportkosten in die Höhe.

Das Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB hat ein neuartiges technisches Konzept entwickelt und realisiert, mit dem Wasserstoffperoxid dezentral und bedarfsorientiert in einer elektrochemischen Zelle, das heißt allein mit Strom, erzeugt wird – nur aus Luft und Wasser. Im Zuge der Energiewende steht immer wieder Überschussstrom aus der regenerativen Energieerzeugung zur Verfügung. Die elektrolytische Herstellung von Chemikalien wird hiermit nicht nur wirtschaftlich, sondern stellt – neben der Stromspeicherung – auch einen sinnvollen Verwertungspfad zum Ausgleich von Stromspitzen dar.

Flexible Synthese in Elektrolysezelle

Kernstück der Entwicklung ist eine flache Elektrolysezelle. Fließt ein elektrischer Strom, wird an der Anode Wasser oxidiert, wobei Protonen entstehen und der pH-Wert sinkt. An der Kathode, einer Gasdiffusionselektrode, die beispielsweise auch in Brennstoffzellen verwendet wird, wird zugleich Luftsauerstoff reduziert. Hierbei werden die Protonen verbraucht und Wasserstoffperoxid entsteht.

In einem ersten Demonstrator mit 100 Quadratzentimetern Elektrodenfläche erreichten die Forscher bei Zufuhr von reinem Sauerstoff Konzentrationen von mehr als 400 Milligramm Wasserstoffperoxid pro Liter, beim Betrieb mit Umgebungsluft als Sauerstoffquelle Konzentrationen von 50 Milligramm Wasserstoffperoxid pro Liter – bei einem Energiebedarf von 10 kWh/kg H2O2. »Mittlerweile haben wir das System weiter optimiert. So konnten wir die Ausbeute beim Betrieb mit Luft von 50 Milligramm auf 1200 Milligramm Wasserstoffperoxid pro Liter erhöhen und damit den gleichen Umsatz erreichen wie beim Betrieb mit reinem Sauerstoff«, resümiert Dr. Thomas Scherer, Gruppenleiter am Fraunhofer IGB.

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