Pajarito Powder

Wasserstoff kostengünstig erzeugen und nutzen

22. Mai 2023, 13:30 Uhr | Iris Stroh

Simulation des im Bau befindlichen Werkes

Pajarito Powder ist überzeugt, dass es mit seinem patentierten Verfahren der Wasserstofftechnik zum Durchbruch verhelfen kann, denn damit lässt sich ein entscheidendes Problem lösen: die hohen Kosten können deutlich gesenkt werden.

Wasserstoff wird heutzutage großtechnisch mithilfe von Elektrolyseuren erzeugt, die mit Strom Wasser (H2O) in Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) spalten. In Fahrzeugen wiederum gelten Brennstoffzellen als die effizienteste Variante, um in einer umgekehrten Elektrolyse aus Wasserstoff wiederum Strom für den Antrieb des Fahrzeugs zu erzeugen.

Wasserstoff verspricht viele Vorteile, nicht nur in der Automobilindustrie, aber bislang sind die Kosten ein entscheidender Nachteil. Hier setzt Pajarito Powder an und zwar mit dem Ansatz, den Platinanteil im Katalysatormaterial zu reduzieren, denn sowohl bei der Herstellung von Wasserstoff als auch bei seiner Verwendung werden typischerweise Katalysatoren eingesetzt, die mit den seltenen Metallen der Platingruppe (PGM, Platin Group Metals) ausgestattet sind. Katalysatoren machen laut Pajarito Powder fast 40 Prozent der Kosten eines Brennstoffzellenstapels aus, und die Kosten für den darin enthaltenen Iridium-Anteil (Metall der Platingruppe) eines 1-GW-Elektrolyseurs würden sich bei Preisen von 2022 auf über 61 Mio. Dollar belaufen.

Mit einer neuen Verfahrenstechnik schafft es das Start-up, dass Wasserstoff-Brennstoffzellen und Elektrolyseur-Katalysatoren bei gleicher Leistungsfähigkeit mit deutlich weniger des seltenen und teuren Platinmaterials betrieben werden können. Thomas J. Stephenson, CEO und Vorstandsvorsitzender von Pajarito Powder: »Reduziert man Iridium, verbessert sich Wirtschaftlichkeit der Wasserstoffherstellung drastisch und infolge dessen wird die Verfügbarkeit von Wasserstoff wesentlich verbessert.« Tatsächlich reduziert das Verfahren von Pajarito Powder die Menge an Edelmetallen, die für Reaktionen zur Erzeugung von Energie aus Wasserstoff benötigt werden, um bis zu 70 Prozent.

Dieses Verfahren und die damit erzeugten Katalysatormaterialien bringen der Automobilindustrie gleich zwei Vorteile. Stephenson dazu: »Da das kosteneffiziente Katalysatormaterial im Elektrolyseur bei der Herstellung von grünem Wasserstoff zum Einsatz kommt und ein zweites Mal im Fahrzeug, wenn in der Brennstoffzelle aus Wasserstoff wieder Strom, also Antriebsenergie gewonnen wird, kann gleich an zwei Kostenschrauben gedreht werden.« Weiter heißt es: »Das Material muss entsprechend angepasst werden, aber das ist unser Know-how. Damit sind wir selbst in den USA ziemlich konkurrenzlos.«

Ein vollständig anderer Ansatz

Das Katalysatormaterial ist eine Mischung aus Kohlenstoff mit Platinelementen. »Während andere Platin reduzieren wollen, indem sie einfach mit weniger Platin experimentierten, nahmen wir uns den Trägerstoff, sprich den Kohlenstoff vor. Und das mit Erfolg«, so Stephenson. In dem Kohlenstoff sind die Platinelemente so verteilt, dass sie in Kontakt mit Wasser oder Wasserstoff die Reaktion auslösen. »Wir optimieren das Material so, dass man mit weniger Platin dennoch mehr Kontaktfläche hat und das Platin, während die Reaktion abläuft, seine Position behält«, so Stephenson. Ein entscheidender Vorteil, denn bislang hätten Hersteller mehr Platin eingesetzt als notwendig, damit sich der Schwund von Platin über die Betriebszeit nicht allzu leistungsmindernd bemerkbar gemacht hat.

Um die Katalysatoren zu fertigen, hat Pajarito Powder ein neues Verfahren entwickelt: VariPore. Damit kann das Unternehmen technische Katalysatorträger (ECS, Engineered Catalyst Supports) herstellen, die auf ein bestimmtes System zugeschnitten sind und die Leistung und Nutzung von PGMs verbessern.
Diese Katalysatorträger sind mesoporös, das heißt, dass sie extrem kleine Öffnungen enthalten (zwischen 2 und 50 nm). Diese Öffnungen wiederum ermöglichen einen effizienteren Ablauf der Reaktionen in der Brennstoffzelle, da sie einen effizienten Zugang zum Platin ermöglichen, das die Reaktion auslöst, darüber hinaus das Platin über viele thermodynamische Lebenszyklen und die Belastungen durch Spannungsschwankungen hinweg festhalten und für eine effiziente »Evakuierung« des Wassers aus einer Brennstoffzelle sorgen.

Laut Stephenson ermöglicht das VariPore-Verfahren nicht nur ein sehr spezifisches Design sondern auch die Massenherstellung dieser Träger. Stephenson weiter: »Wir sind in der Lage, Katalysatoren zu bauen, die mit weniger Platin als Standardkatalysatoren energetisch gleichwertige Ergebnisse erzielen wie vergleichbare Produkte. Darüber hinaus verleiht das VariPore-Verfahren den Katalysatoren eine hohe Haltbarkeit, Stabilität und Leistung.«

Mit diesem Verfahren stellt Pajarito Powder auch fortschrittliche Elektrolyseur-Katalysatoren her, die auf ähnlichen Konzepten beruhen, aber mit anderen Materialien ausgeführt werden. Aus der Sicht von Stephenson dominieren derzeit noch Elektrolyse-Katalysatoren auf Basis von Iridium den Markt. Aber Pajarito Powder hat bereits hocheffiziente Katalysatoren unter Verwendung von »PGM-lite«- oder »PGM-freien« Materialien entwickelt; die bereits heute zur Bewertung verfügbar sind.

Aufbau der Großserienfertigung
Derzeit baut Pajarito Powder eine Fertigungsstätte. Laut Tom Stephenson, CEO und Vorstandsvorsitzender von Pajarito Powder, wird die Fabrik eine Gesamtgröße von etwa 2.500 m² aufweisen, wobei es sich nicht um einen Neubau, sondern um einen Umbau einer bestehenden Fabrik handelt. Sie befindet sich in Albuquerque, New Mexico, nur wenige Kilometer von dem Hauptsitz von Pajarito Powder entfernt. Stephenson: »Wir gehen davon aus, dass wir Mitte des dritten Quartals, also August, dieses Jahres einziehen können.« Er geht davon aus, dass die Kapazitäten in der Endausbaustufe reichen, um bis zu zwei metrische Tonnen des ECS-Materials für Brennstoffzellen und hunderte Kilo des Materials für Elektrolyseure zu produzieren.