Winzige Blasen, großer Verlust: Modell zeigt, wann Elektrolyse teuer wird

Grüner Wasserstoff gilt als Hoffnungsträger für Branchen, die sich kaum elektrifizieren lassen. Stahlwerke und Chemiefabriken könnten mit ihm fossile Brennstoffe ersetzen, sofern Elektrolyseure Wasser mit Wind- oder Solarstrom effizient in Wasserstoff und Sauerstoff spalten. Dabei stören allerdings winzige Gasblasen, die sich an den Elektroden bilden und den Strombedarf in die Höhe treiben. Forscher:innen der Cornell University und der City University of Hong Kong haben nun ein Computermodell entwickelt, das präzise beziffert, ab welcher Größe eine Blase teuer wird.

Blasen blockieren die Reaktionsflächen

Fließt Strom durch einen Elektrolyseur, entstehen an den Elektroden Wasserstoff- und Sauerstoffblasen. Sie bedecken aktive Reaktionsstellen, halten Wasser von der Elektrodenoberfläche fern und behindern geladene Teilchen auf ihrem Weg. Der Elektrolyseur braucht dadurch mehr Strom für dieselbe Menge Wasserstoff. Je größer die Anlagen werden und je höher die Stromdichte steigt, desto stärker fällt das Problem ins Gewicht.

Ingenieur:innen experimentieren seit Langem mit veränderten Elektrodenformen, angepassten Flüssigkeitsströmen und neuen Oberflächeneigenschaften, damit sich Blasen leichter lösen. Wie viel Energie eine einzelne Blase verschwendet, konnte bislang aber niemand verlässlich bestimmen. Die beteiligten Prozesse erstrecken sich über gewaltige Größenunterschiede: von elektrochemischen Reaktionen auf weniger als einem Nanometer bis zu den Zentimetermaßen eines Elektrolyseurs. „Experimentell ist es enorm schwierig, den Einfluss der Blasen auf jeder einzelnen Skala zu isolieren“, sagt Lenan Zhang, Assistenzprofessor an der Sibley School of Mechanical and Aerospace Engineering der Cornell University. Er leitete die Studie gemeinsam mit Weihong Li von der City University of Hong Kong.

Ein digitaler Zwilling über acht Größenordnungen

Das Team entwickelte ein dreidimensionales mathematisches Modell, das die verknüpften Vorgänge über acht Größenordnungen hinweg simuliert. Für die kleinsten elektrochemischen Wechselwirkungen führten die Forscher:innen eine neue Darstellungsmethode ein. Sie senkt den Rechenaufwand um fast das 1.000-Fache, ohne an numerischer Genauigkeit einzubüßen. Das Ergebnis funktioniert wie ein digitaler Zwilling: Es bildet reale Elektrodengeometrien, Materialien und Betriebsbedingungen nach und macht mikroskopische Prozesse sichtbar, die Experimente kaum erfassen.

Mit dem Modell untersuchte das Team einzelne Wasserstoffblasen auf einer Elektrode in einem alkalischen Elektrolyseur. Den größten Energieverlust verursachen Blasen demnach, wenn sie aktive Elektrodenfläche verdecken.

Ab dem kritischen Radius steigt die Spannung exponentiell

Die zentrale Entdeckung betrifft einen kritischen Blasenradius. Überschreitet eine Blase diese Größe, wächst die zusätzlich nötige Spannung exponentiell. Unter bestimmten simulierten Bedingungen lag die Mehrspannung um mehr als 50 Prozent über dem Wert ohne Blasen. Der kritische Radius hängt von der Elektrodengeometrie ab und davon, wie gut die Flüssigkeit die Oberfläche benetzt. Die Stromdichte spielt dagegen keine Rolle.

Daraus leiten die Forscher:innen eine konkrete Designregel ab: Elektroden sollten Blasen freigeben, bevor diese die kritische Größe erreichen. Als neuen Kennwert schlägt das Team das Verhältnis von Ablöseradius zu kritischem Radius vor. Bleibt es unter eins, begrenzt das die Mehrspannung durch eine einzelne Blase laut Simulation auf höchstens 3 Prozent.

Als Nächstes wollen Zhang und Li das Modell auf mehrere Blasen erweitern, die wachsen, verschmelzen und sich gegenseitig beeinflussen. Kombiniert mit computergestützter Optimierung und 3D-Druck soll es Elektroden hervorbringen, die Energieverluste gezielt minimieren. Langfristig planen die Forscher:innen eine breit nutzbare Software, mit der Ingenieur:innen Materialien, Elektrodenstrukturen und Betriebsbedingungen bewerten können.

via Cornell University