Gemeinsame Presseinformation der TU Dresden und des Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR)

Parabelflüge für die Wasserstoffforschung

Ein Team des Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) und der Technischen Universität Dresden um Prof. Kerstin Eckert und Dr. Gerd Mutschke hat den Innovationspreis der deutschen Gaswirtschaft 2020 in der Kategorie Forschung und Entwicklung gewonnen. Die Preisverleihung fand am 4. November in Berlin statt. Der Innovationspreis wird im zweijährigen Rhythmus für zukunftsweisende Energiekonzepte vergeben. Ausgezeichnet werden Projekte, die sich in besonderer Weise mit Klimaschutz und Ressourcenschonung beschäftigen und damit einen wichtigen Beitrag zur Energiewende liefern.

Im preistragenden Projekt „Forschung zur Verbesserung des Wirkungsgrades der Wasserelektrolyse durch die Untersuchung des Einflusses von elektrischen und thermokapillaren Kräften auf die Ablösung von Wasserstoffblasen“ haben die Beteiligten aus dem HZDR-Institut für Fluiddynamik und dem Institut für Verfahrenstechnik und Umwelttechnik der TU Dresden wesentliche Erkenntnisse darüber gewonnen, wie verschiedene Kräfte auf die Gasblasen einwirken, die sich an den Elektroden bilden. Da das Verharren der Gasblasen an den Elektroden im alkalischen Elektrolyseur sowohl zu elektrischen als auch zu Wärmeverlusten führt und somit die Effizienz des gesamten Prozesses beeinflusst, ist ein besseres Verständnis dieser Kräftebilanz wichtig, um die Elektrolyse zu optimieren. „Zum heutigen Zeitpunkt ist der durch Elektrolyse erzeugte Wasserstoff teurer als Wasserstoff, der aus Erdgas produziert wird“, erläutert Dr. Gerd Mutschke. „Mit unserer Forschung wollen wir einen Beitrag leisten, um Elektrolysewasserstoff preiswerter erzeugen zu können.“

Bei den Experimenten haben die Forscherinnen und Forscher beobachtet, dass sich einzelne Blasen bis zu hundert Mal pro Sekunde von einer Elektrode lösen, nur um sofort wieder zu ihr zurückzukehren. Sie gehen deswegen davon aus, dass eine bisher nicht betrachtete elektrische Kraft mit der Auftriebskraft konkurriert und so die Schwingungen ermöglicht. Außerdem stellten sie fest, dass durch Temperaturunterschiede hervorgerufene Marangoniströmungen Kräfte auf die Blasen ausüben. Aufbauend auf diesem Wissen wollen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler nun das Design der Elektrolyseure verbessern, indem sie die Verweildauer der Gasblasen an den Elektroden verringern. Das ermöglicht eine höhere Wasserstoffproduktionsrate bei verbesserter Effizienz des Elektrolyseurs.

Laut Prof. Kerstin Eckert sind diese Erkenntnisse vor allem durch die Kombination der vielseitigen Messtechniken mit den theoretisch-numerischen Arbeiten am HZDR und am Institut für Verfahrenstechnik und Umwelttechnik der TU Dresden möglich geworden. Die Professorin für Transportprozesse an Grenzflächen an der TU Dresden hebt darüber hinaus die durch das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) geförderten Parabelflüge in einem umgebauten Airbus als besondere Forschungsumgebung hervor. „Während dieser Flüge, bei denen durch besondere Flugmanöver für kurze Zeiten jeweils Schwerelosigkeit erreicht wird, wird gezielt die Auftriebskraft ausgeschaltet. Phänomene an den Blasen konnten wir dadurch in isolierter Form, sprich in Reinkultur untersuchen.“ Auch Mutschke untermauert die Relevanz der Parabelflüge für die Experimente. „Die abwechselnden Bedingungen von Schwerelosigkeit und Hypergravitation erzeugen eine gänzlich modifizierte Blasendynamik. Beispielsweise haften die Gasblasen unter den Bedingungen der Schwerelosigkeit wesentlich länger an den Elektroden. Dadurch ist unter anderem eine genauere Vermessung der Marangoniströmung möglich.“

Das HZDR und die TU Dresden planen aktuell mit Partnern vom Fraunhofer Institut für Fertigungstechnik und angewandte Materialforschung Dresden (IFAM), der Hochschule Zittau-Görlitz sowie lokalen Industriepartnern, das neue Konzept membranfreier alkalischer Elektrolyseure in einem gemeinsamen Projekt zu untersuchen. Ziel ist es, eine Experimentierplattform für Grundlagenuntersuchungen zu entwickeln, unter anderem zur Wasser- und Sauerstoffbildung und zur Elektrodendegradation bei hohen Stromdichten, um damit verschiedene Elektrodenmaterialien und Designs der Elektrolyseure auf ihre Eignung zur kosteneffizienten Bereitstellung von grünem Wasserstoff zu untersuchen.

Über das Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf
Das Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) forscht auf den Gebieten Energie, Gesundheit und Materie. Folgende Fragestellungen stehen hierbei im Fokus:

• Wie nutzt man Energie und Ressourcen effizient, sicher und nachhaltig?
• Wie können Krebserkrankungen besser visualisiert, charakterisiert und wirksam behandelt werden?
• Wie verhalten sich Materie und Materialien unter dem Einfluss hoher Felder und in kleinsten Dimensionen?

Das HZDR entwickelt und betreibt große Infrastrukturen, die auch von externen Messgästen genutzt werden: Ionenstrahlzentrum, Hochfeld-Magnetlabor Dresden und ELBE-Zentrum für Hochleistungs-Strahlenquellen.
Es ist Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft, hat sechs Standorte (Dresden, Freiberg, Görlitz, Grenoble, Leipzig, Schenefeld bei Hamburg) und beschäftigt knapp 1.400 Mitarbeiter:innen – davon etwa 500 Wissenschaftler:innen inklusive 170 Doktorand:innen.

Über die TU Dresden
Die TU Dresden ist eine der Spitzenuniversitäten Deutschlands und Europas: stark in der Forschung, erstklassig in der Vielfalt und der Qualität der Studienangebote, eng vernetzt mit Kultur, Wirtschaft und Gesellschaft. Als moderne Universität bietet sie mit ihren fünf Bereichen in 18 Fakultäten ein breit gefächertes wissenschaftliches Spektrum wie nur wenige Hochschulen in Deutschland. Sie ist die größte Universität Sachsens. Die große Campus-Familie der TU Dresden setzt sich zusammen aus rund 32.000 Studierenden und ca. 8.000 Mitarbeitern – davon 600 Professoren. Die TU Dresden ist seit 2012 eine der elf Exzellenzuniversitäten Deutschlands. Am 19. Juli 2019 konnte sie diesen Titel erfolgreich verteidigen.

Informationen für Journalisten:
Prof. Kerstin Eckert
Professur für Transportprozesse an Grenzflächen
Institut für Verfahrenstechnik und Umwelttechnik
TU Dresden
Tel.: +49 351 463-36551

Prof. Kerstin Eckert
Abteilung Transportprozesse an Grenzflächen
Institut für Fluiddynamik
Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf
Tel.: +49 351 260 3860

Dr. Gerd Mutschke
Institut für Fluiddynamik
Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf
Tel.: +49 351 260 2480