Forschende der Empa (Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt), Dübendorf, können mit korrosionsbeständigen Materialien Elektrolyse-Geräte robuster, haltbarer und dadurch auch kostengünstiger machen – ein Schritt hin zum «grünen» Brennstoff Wasserstoff und womöglich zu «grünem» Stahl.
Am «grünen» Wasserstoff hängt viel, möglicherweise die Zukunft der ganzen europäischen Stahlindustrie. Denn die hat nach Ansicht vieler Akteure langfristig nur dann eine Chance, wenn sie nachhaltiger wird.
Grüner Stahl und grüner Wasserstoff
Die Vision vom «grünen Stahl» ist die Umstellung der herkömmlichen Stahlerzeugung auf grünen Wasserstoff anstelle von Koks. Dieser erfüllt im klassischen Hochofenprozess gleich drei Funktionen: Reduktionsmittel, Brennstoff, mechanisches Stützgerüst. So entsteht mit Hilfe von Koks aus Eisenerz flüssiges Roheisen. Der Wasserstoff kann Koks als Reduktionsmittel und Brennstoff ersetzen.
Die Idee von grünem Wasserstoff liegt in der Erzeugung aus Wasser in einem Elektrolyseur mit Ökostrom. Allerdings stellen Solaranlagen, Windkraftanlagen, Elektrolyseure, Wasserstoff- und Stromspeicher ein komplexes System dar. Keine Komponente darin bringt immer ihre theoretische Höchstleistung. Beispielsweise sinkt die Stromproduktion bei Windkraftanlagen in der Flaute und von Solaranlagen in der Nacht auf null. Länder wie Deutschland und die Schweiz bringen für diese Arten der Stromerzeugung nicht die besten Voraussetzungen mit.
Messlatte Saudi-Arabien
Besser sind afrikanische und arabische Länder dran. Der Leuchtturm ist dabei Saudi-Arabien mit seinem «Neom-Projekt» [1]: viel Sonne, viel Wind, Batterien als Kurzzeitspeicher, Integration von Meerwasserentsalzung, Stickstoffgewinnung und Ammoniaksynthese (Haber-Bosch-Verfahren).
Im Rahmen des Neom-Projekts kann grüner Wasserstoff kostengünstiger als in Europa erzeugt und in Form von Ammoniak hierher verschifft werden. Allerdings bleibt unterm Strich grüner Wasserstoff nicht billig und wird es wohl auf absehbare Zeit auch nicht – selbst unter den Optimalbedingungen in Saudi-Arabien.
Um einmal eine Grössenordnung zu nennen: Der «grüne» Wasserstoff aus der Elektrolyse ist in der Herstellung rund doppelt so teuer wie «grauer» Wasserstoff aus fossilen Rohstoffen, überwiegend aus Erdgas. Darum werden heute über 90 Prozent des Wasserstoffs aus fossilen Quellen gewonnen [2].
Wege aus der grünen Kostenfalle
Insbesondere bei schwankendem Bedarf eines Kraftwerks (z.B. zur Abdeckung von Spitzenlasten) stellt Wasserstoff einen teuren Reservebrennstoff dar und kann sich kaum rechnen; für Dauerabnehmer dagegen ist er zumindest kalkulierbar. Dies bestätigen Berechnungen des Fraunhofer IEG, Bochum, und des Fraunhofer-Exzellenzclusters CINES, Berlin (Schätzungen für das Jahr 2035) [2].
Was helfen könnte, sind verschiedene Optimierungsansätze: Es gibt heute Elektrolyseverfahren (z.B. PEMWE-Verfahren; Proton Exchange Membrane Water Electrolysis), die sich für das Zusammenspiel mit erneuerbaren Energien besonders gut eignen. Insbesondere zeigen sie sich kompatibel mit den Energieschwankungen, etwa bei Sonnen- und Windenergie. Allerdings benötigen PEMWE-Elektrolyseure den knappen und geopolitisch kritischen Rohstoff Iridium (Anodenkatalysator). Iridiumfreie Alternativen könnten die Spielregeln des Marktes in Richtung grüner Wasserstoff und grüne Stahlerzeugung verschieben (z.B. AEM-Elektrolyse mit Anionenaustauschermembranen).
Einen weiteren Nachteil des PEMWE-Verfahrens stellt das stark saure Milieu in einem PEMWE-Elektrolyseur dar. Dies setzt das verbaute Material einer hohen Belastung aus, was die Lebensdauer begrenzt (Korrosion!) und damit die Kosten in die Höhe treibt.
Keine Korrosion
An dieser Stelle ist nun ein Team der Empa tätig geworden. Gemeinsam mit Forschern der französischen Forschungsinstitute «Institut de la Corrosion» in Brest und «LEMTA» in Nancy arbeitet es an günstigeren Alternativen für zwei Schlüsselkomponenten der Elektrolyse-Geräte. Das Projekt wird vom Schweizerischen Nationalfonds (SNF) und der französischen «Agence Nationale de la Recherche» (ANR) unterstützt.
Der Ansatz des Empa-Teams [3]: Die Umgebung im Elektrolyseur ist korrosiv, denn die feste Membran, die meist aus perfluorierten Sulfonsäure-Polymeren besteht, enthält gebundene Sulfonsäuren; diese wiederum wirken als stark saure Ionenaustauscher (pH = 1 bis 2). Darum würde sich in der zentralen Kammer des Elektrolyseurs Stahl auflösen «wie Zucker in einer Tasse Tee», so Konstantin Egorov, Materialwissenschaftler an der Empa. Selbst Komponenten, die nicht mit dem hochsauren Milieu in Kontakt kommen, korrodieren. Und schon geringste Mengen an gelöstem Metall im hochreinen Wasser, das zur Elektrolyse in das Gerät strömt, führen zu Einbussen in seiner Leistung und seiner Lebensdauer.
Die Komponenten für die Zu- und Ableitung des Wassers und der entstehenden Gase innerhalb des Elektrolyseurs bestehen deshalb aus Titan. Doch selbst das ist nicht genug: Damit das Titan nicht oxidiert und die Wirksamkeit des Elektrolyseurs beeinträchtigt, müssen die Bauteile noch mit dem Edelmetall Platin beschichtet werden, was die Kosten weitertreibt. Und auch Titan ist sowohl teuer als auch schwierig zu verarbeiten (Titanguss unter Schutzgas oder CNC-Zerspanung mit scharfen Hartmetallwerkzeugen, niedrigen Drehzahlen und reichlich Kühlschmierstoff).
Rutil statt Platin, Stahl statt Titan
Konstantin Egorov sucht deshalb nach Wegen, das teure Platin zu ersetzen, ohne die Korrosionsbeständigkeit zu beeinträchtigen. Dafür setzt er auf eine besondere Form des Titanoxids, das Rutil. Bei diesem Oxid fehlen an bestimmten Stellen Sauerstoffatome, was dem Material eine gute Leitfähigkeit verleiht, während seine Hochkristallinität für eine hohe Korrosionsbeständigkeit sorgt – genau die richtigen Voraussetzungen für die PEMWE-Elektrolyse. Das Trägermaterial Titan ersetzen die Forschenden durch Stahl.
«Stahl ist nicht nur günstiger, sondern auch viel einfacher zu verarbeiten. Das ermöglicht neue, fortschrittliche Komponentendesigns, die die Effizienz der Zelle steigern», erklärt Egorov.
Dank der robusten Beschichtung soll die korrosive Umgebung dem Material nichts mehr anhaben können.
Umsetzung in der Industrie mitgedacht
Die ersten Ergebnisse bestätigen die hohe Korrosionsbeständigkeit der innovativen Beschichtung.
«Wir konnten eine Methode entwickeln, um die erste Komponente des PEMWE-Elektrolyseurs, die sogenannte bipolare Platte, erfolgreich mit Titanoxid zu beschichten», sagt Egorov. Die Methode, die er dafür nutzt, heisst physikalische Gasphasenabscheidung (engl. «physical vapour deposition» oder PVD) und ist in der Industrie weit verbreitet.
«Es ist uns wichtig, etwas zu entwickeln, was die Industrie tatsächlich gebrauchen kann», betont der Forscher.
Die Komponenten, die Egorov an der Empa herstellt, unterziehen seine Partner gründlichen Korrosionstests, zunächst unter Laborbedingungen, dann in einem funktionierenden Elektrolyseur. Die bipolare Platte hat die Tests bereits erfolgreich überstanden. Als nächstes wollen die Forscher eine weitere Schlüsselkomponente mit Titanoxid beschichten, die sogenannte poröse Transportschicht.
«Die Beschichtung von porösen Materialien birgt viele Herausforderungen», weiss Egorov.
Die Poren müssen gleichmässig beschichtet werden, damit das darunterliegende Material nicht korrodiert – zugleich dürfen sie aber nicht verstopfen. Egorov ist jedoch zuversichtlich, dass dies machbar ist.
Fazit für Entscheider
Es lässt sich festhalten, dass grüner Wasserstoff und grüner Stahl keine Selbstläufer sind. Wären sie es, so hätte sich beispielsweise der Börsenkurs des führenden Elektrolyseanlagen-Herstellers Thyssenkrupp Nucera, Dortmund, nicht innerhalb von zwei Jahren gedrittelt.
Zum Teil liegt es an der Komplexität des Systems. Ausser den bereits genannten Komponenten spielt hier zum Beispiel auch die Bepreisung von Kohlendioxidemissionen bzw. die Preise von CO2-Zertifikaten eine Rolle.
Das komplexe System hat jedoch einen Vorteil: Forscher können an vielen Stellschrauben ansetzen. Die Empa kümmert sich in ihrem Spezialbereich «Materials for Energy Conversion» um die Materialoptimierung von PEMWE-Elektrolyseuren. Diese könnten durch die erzielten Fortschritte attraktiver werden und die Wasserstoff-Erzeugung durch Elektrolyse kostengünstiger werden lassen. Das Projekt läuft noch bis 2026. Danach hoffen die Empa-Forschenden, einen Industriepartner an Bord zu holen, um die innovative Technologie in Richtung Kommerzialisierung weiterzuentwickeln.
Dr. Christian Ehrensberger
Literatur
1. Axel Schuller: Bremer Prof.: Grüner Wasserstoff für Stahl-Produktion zu teuer und nicht verfügbar. https://bremensogesehen.com/20251127-peitgen-stahl-wasserstoff-arcelor-bovenschulte/, Zugriff am 23.7.2026
2. wie zitiert in: Anne Bajrica: Hinter grünem Wasserstoff lauert eine Kostenfalle. https://www.focus.de/earth/hinter-gruenem-wasserstoff-lauert-eine-kostenfalle_6e75b247-9d86-407a-81b9-a22751dcc7ff.html, Zugriff am 8.7.2026
3. Grünen Wasserstoff günstiger herstellen. https://www.empa.ch/de/web/s604/protis-green-hydrogen, Zugriff am 23.7.2026
