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.

»Unser System funktioniert nicht nur dezentral, sondern praktisch ohne Einsatz von Chemikalien. Zudem können wir Wasserstoffperoxid extrem flexibel gewinnen: Wenn kein Überschussstrom zur Verfügung steht, schalte ich die Elektrolysezelle einfach aus«, so Scherer. »Nicht direkt benötigtes Wasserstoffperoxid kann in einem Puffertank gelagert und nach Bedarf entnommen werden.«

Modularer und skalierbarer Prototyp

Die neue Elektrolysezelle wird als Durchflusszelle betrieben. Für die Übertragung auf einen industrierelevanten Maßstab kann sie mit weiteren Zellen parallel oder in Reihe geschaltet werden. »Zudem kann man einzelne Elektrolysezellen zu einem Stapel schalten, wie etwa in Brennstoffzellen-Stacks. Solche Anlagen lassen sich dann technisch auslegen und auf den jeweiligen Bedarf an Wasserstoffperoxid einstellen«, erläutert Scherer die Möglichkeiten der Skalierung.

Für weitere anwendungsspezifische Entwicklungen und Optimierungen können die Prozessparameter eingestellt und Teilkomponenten im Demonstrator, wie die Gasdiffusionselektrode, leicht ausgetauscht werden. Durch Änderung von Temperatur, Stromdichte, Volumenstrom und Zusammensetzung der Lösung lassen sich beispielsweise der pH-Wert und die Konzentration der Lösung gezielt anpassen.

Erprobter Einsatz in der Wasserreinigung

Die dezentrale elektrolytische Erzeugung von Wasserstoffperoxid konnte bereits erfolgreich in der Wasseraufbereitung demonstriert werden. In einem von der Europäischen Union geförderten Forschungsprojekt wurde die oxidative Behandlung mit vor Ort erzeugtem Wasserstoffperoxid mit einer adsorptiven Entfernung von Schadstoffen aus Deponiesickerwasser in einem Schritt kombiniert.

Als nächstes wollen die Forscher industrielle Anwendungen erschließen, bei denen jeweils nur kleine Verbrauchsmengen benötigt werden, wie etwa die Hygienisierung von Anlagen und Maschinen in der Lebensmittelindustrie oder die Oberflächendesinfektion in Krankenhäusern. Hierfür suchen die Forscher noch interessierte Partner zur Vermarktung.

Auf der IFAT vom 30. Mai bis 3. Juni 2016 in München stellen die Forscher die Zelle am Fraunhofer-Gemeinschaftsstand in Halle A5, Stand 217/316 vor.