Wissenschaftler haben einen cleveren Weg gefunden, wie grüner Wasserstoff direkt aus salzigem Meerwasser erzeugt werden kann. Dies ist ein weiterer Meilenstein in Richtung einer sauberen Energie, wenn erneuerbare Energie in Zukunft aus dem im Überfluss vorhandenen Meerwasser gewonnen wird.

Grüner Wasserstoff dank neuen Prototypen aus China

Der neue Prototyp nimmt einige chemische Änderungen an bestehenden Technologien vor und ermöglicht die Gewinnung von grünem Wasserstoff aus unbehandeltem, ungereinigtem Meerwasser – was die Bedenken hinsichtlich der Nutzung kostbarer Wasservorräte zerstreuen könnte. Mit den bisherigen Technologien hätte man sauberes Trinkwasser in Wüstenregionen verwenden müssen, um grünen Wasserstoff zu erzeugen.

„Die Verwendung großer Mengen hochreinen Wassers für die Wasserstofferzeugung kann die Verknappung der Süßwasserressourcen noch verschärfen. Meerwasser ist reichlich vorhanden, muss aber vor der Verwendung in typischen Protonenaustauschmembran-Elektrolyseuren (PEM) entsalzt werden. „, erklären die Autoren der wissenschaftlichen Studie zur neuen Technologie in angesehenen Journal nature energy.

Grüner Wasserstoff wird aus erneuerbaren Energien hergestellt und ist als CO2 neutrales Produkt das beste für die Umwelt. Bei der Verwendung von Strom aus anderen Quellen erhält man gelben oder pinken Wasserstoff. Grauer Wasserstoff wird durch Dampfreformierung aus fossiler Brennstoffe wie Erdgas hergestellt. Lagert man das dabei entstehende CO2 ein, sodass es nicht in die Umwelt gelangt, nennt man das Endprodukt blauem Wasserstoff. Verwendet man anstatt fossilen Brennstoffen Methan, erhält man Türkisen Wasserstoff. Der Billionenmarkt Wasserstoff findet zalhreiche Ideen zur Erzeugung des Brennstoffs.

Süßwasser ist knapp auf der Erde

Bei der Elektrolyse handelt es sich um eine Wasserspaltungsreaktion, bei der mithilfe von Elektrizität Wasserstoffatome aus ellbogenförmigen Wassermolekülen herausgeschlagen werden, und ein Elektrolyseur ist ein Gerät, in dem dies geschieht. Zurzeit kann dieser Prozess mit Strom aus fossilen Brennstoffen oder aus erneuerbaren Energiequellen durchgeführt werden, aber beide Systeme benötigen frisches Wasser. Wenn man einen Weg findet, die Elektrolyse mit Meerwasser durchzuführen, könnte die Zukunft der Produktion von grünem Wasserstoff viel nachhaltiger sein. Die neue Technologie würde es ermöglichen, Wasserstoff als Energieträger zu nutzen, um Energie aus der Wüste zu importieren, wie z.B. das langjährige Projekt Desertec.

Aus Sorge vor Wasserknappheit haben Forscher versucht, eine Alternative zu kommerziellen Elektrolyseuren zu entwickeln, die nur mit gereinigtem Süßwasser arbeiten. Das zugängliche Süßwasser macht nur 1 Prozent des gesamten Wassers auf der Erde aus, aber es gibt einen praktisch unbegrenzten Vorrat an Meerwasser, das genutzt werden könnte. Sollte sich die Technologie rechtzeitig weiterentwickeln, könnte Sie im größten Bauprojekt der Welt, The Line in Neom, angewendet werden.

Auch wenn die Besorgnis über Wasserknappheit berechtigt ist, deuten jüngste Schätzungen darauf hin, dass die für die künftige Nutzung von Wasserstoff benötigte Wassermenge weitaus geringer ist als die Billionen Liter Wasser, die heute für die Gewinnung und Verbrennung fossiler Brennstoffe verbraucht werden. Dennoch sind sich die Wissenschaftler der Umweltauswirkungen bewusst. Seit Jahrzehnten versuchen sie, Geräte zur Herstellung von Wasserstoff aus Meerwasser zu entwickeln, stoßen dabei aber immer wieder auf Hürden.

Grüner Wasserstoff aus neuen Elektrolyseur ohne Erosion

Wenn sie in einen Elektrolyseur gegeben werden, erodieren unerwünschte Chlorionen im Meerwasser die Katalysatormaterialien, die die wasserstoffproduzierende, wasserspaltende Reaktion antreiben sollen. Außerdem bilden sich massive unlösliche Ausfällungen, die die Reaktionsstellen blockieren und eine großtechnische Produktion behindern. Die neue Technik ist ein weiterer Schritt um Wasserstoff klimafreundlicher zu machen.

Das von Qiao und Kollegen entwickelte neue System vermeidet diese beiden Probleme. Wie in ihrer neuen Veröffentlichung beschrieben, schichteten die Forscher eine harte Lewis-Säure-Substanz über eine Reihe gängiger Kobaltoxid-Katalysatoren zur Spaltung von Wassermolekülen. In einer Reihe von Tests widerstanden die modifizierten Katalysatoren dem Angriff von Chlor und verhinderten die Bildung von Ausscheidungen.

„Dies ist eine allgemeine Strategie, die auf verschiedene Katalysatoren angewandt werden kann, ohne dass spezielle Katalysatoren und Elektrolyseure entwickelt werden müssen“, schreiben die Forscher in ihrem veröffentlichten Papier. „Die direkte Meerwasserelektrolyse ohne Reinigungsverfahren und chemische Zusätze ist sehr attraktiv und wird seit etwa 40 Jahren erforscht, aber die größten Herausforderungen dieser Technologie liegen nach wie vor in der Katalysatortechnik und im Gerätedesign“, so die Forscher. Die jüngsten Fortschritte sind ermutigend, wobei dieses neue Gerät einer von vielen vielversprechenden Versuchen ist, Wasserstoff aus Meerwasser zu erzeugen.

Industrielle Anwendung noch nicht erreicht

So haben Wissenschaftler aus China, Australien und den USA vor kurzem einen Prototyp entwickelt, der auf der Meeresoberfläche schwimmt und mithilfe von Sonnenenergie Wasserstoff aus Meerwasser spaltet. Ein anderer in Arbeit befindlicher Prototyp verfolgt einen völlig anderen Ansatz, indem er Wasser aus der feuchten Luft aufnimmt, bevor er Wasserstoff extrahiert.

Die Experten von Ökovation Ventures freuen sich über den technologischen Fortschritt und sind zuversichtlich, dass es in Zukunft reichlich innovative Startups zur Erzeugung von grünen Wasserstoff geben wird. Der Gründer Bernhard Schindler meint dazu: „Natürlich sind Prototypen noch weit entfernt von Methoden im industriellen Maßstab, daher ist es gut, eine gesunde Mischung potenzieller Systeme in der Entwickelung zu sehen, damit sich das beste Prinzip durchsetzten kann.“

Qiao und seine Kollegen arbeiten daran, ihr System durch den Einsatz eines größeren Elektrolyseurs zu vervielfachen. Doch viele Faktoren können über den Erfolg einer potenziellen Technologie entscheiden. Die Kommerzialisierung eines jeden Prozesses hängt von den Materialkosten, dem Energieaufwand und der Effizienz im großen Maßstab ab – wobei kleine Fortschritte einen großen Unterschied in der Menge des erzeugten Wasserstoffs ausmachen können. In Zukunft können nachhaltige Investments in diesem Bereich entscheidend sein, um die richtige Technologie zu fördern.

Grüner Sauerstoff erfordert neue Technologien

Kobalt, das in den Metalloxidkatalysatoren verwendete Material, ist ebenfalls nicht unproblematisch. Wie jedes Edelmetall, das in Batterien oder Solarzellen verwendet wird, muss es nachhaltig abgebaut und nach Möglichkeit recycelt werden.

Nachdem sie die Haltbarkeit ihres Systems getestet haben, sind Qiao und seine Kollegen überzeugt, dass ihre modifizierten Katalysatoren den Anforderungen gerecht werden können. Ihr System kann unter den gleichen niedrigen Temperaturen und Betriebsbedingungen ähnliche Leistungen wie ein kommerzieller Elektrolyseur erbringen. Da aber auch andere Forscher die Effizienz herkömmlicher Elektrolyseure ständig verbessern, ist die Frage, wie weit sie kommen, wirklich offen.

(TB)