Kooperation im Interesse der Wissenschaft

Wasserstoff ist das Element, das im Universum am häufigsten vorkommt. Es verwundert also nicht, dass das Interesse an praktikablen Methoden für eine gesteigerte Produktion, insbesondere von grünem Wasserstoff, groß ist. Ein besonderer Schwerpunkt liegt dabei auf der H₂-Gewinnung aus Meerwasser. Hier gibt es einige neue Entwicklungsfortschritte.

Wissenschaftler stellen immer wieder fest, dass sie nennenswertere Fortschritte vor allem dann machen, wenn sie mit anderen Experten, die sich mit demselben Thema beschäftigen, zusammenarbeiten. Solch ein Kooperationsprinzip verfolgt ein Projekt, an dem mehrere Institutionen beteiligt sind und dessen Ziel es ist, einen Prototyp zu schaffen, mit dem Wasserstoff aus minderwertigen Flüssigkeiten wie Meer- und Abwasser erzeugt werden kann.

Die Projektteilnehmenden arbeiten dabei mit Experten zusammen, die sich bestens mit Elektrolyseuren und Membranen auskennen. Bezüglich des auf vier Jahre angelegten Projekts erhoffen sich die Wissenschaftler, Membranen zu finden, die günstige und ausreichend vorhandene Metalle wie Nickel und Eisen nutzen. Zudem möchten sie Alternativen zu umweltverschmutzenden oder dauerhaft schädlichen Verfahren finden und die Recyclingquote verbessern. Die Forschenden hoffen, die Weiterentwicklung ihres Prototyps beschleunigen zu können, sobald sie mögliche Optionen ermittelt haben. Federführende Institution des Projekts ist die University of Galway in Irland. Außerdem sind Organisationen aus Israel, Spanien und Deutschland beteiligt.

Das Projekt gehört zu einem größeren Unterfangen der Europäischen Kommission, praktikable Möglichkeiten zu finden, um die Produktion von grünem Wasserstoff zu steigern. So hat zum Beispiel die Europäische Wasserstoffbank kürzlich das Ziel angekündigt, zehn Mio. Tonnen grünen Wasserstoff bis 2030 selbst zu erzeugen. Weitere zehn Mio. Tonnen sollen importiert werden.

Sollten diese Bemühungen erfolgreich sein und saubere, umweltfreundliche Beförderungsmöglichkeiten gefunden werden, könnten fossile Brennstoffe in großer Dimension durch Wasserstoff ersetzt werden. Zudem könnte die Chemieindustrie durch eine einfachere Wasserstoffproduktion mit einem nachhaltigeren Rohstoff für die Produktion von Düngemitteln, Stahl und weiteren Erzeugnissen versorgt werden.

Ein neu entwickelter Elektrokatalysator

In den USA arbeitet das Team vom Texas Center for Superconductivity an der University of Houston an einem Elektrokatalysator auf Nickel- und Eisenbasis, der während der Meerwasserelektrolyse mit Kupfer-Kobalt interagiert. Mit dieser Kombination ließen sich bekannte Hürden, die mit der Wasserstoffgewinnung aus Meerwasser verbunden sind, überwinden. Zum Beispiel sind aktuelle Elektrokatalysatoren, die bislang verwendet werden, um eine Sauerstoff-Entwicklungs-Reaktion (OER) zu erzielen, unerschwinglich teuer.

Die US-amerikanischen Forschenden stellten nun fest, dass die von ihnen hergestellten OER-Elektrokatalysatoren von allen potenziellen Multimetall-Elektrokatalysatoren zu den leistungsstärksten zählten. Eine weitere spannende Erkenntnis ist, dass die Wasserstoffproduktion durch die neue Technologie und die optimierten Prozesse erschwinglicher werden könnte.

Laut dem leitenden Wissenschaftler Zhifeng Ren benötigt man für die Produktion eines Kilogramms Wasserstoff zurzeit rund 50 Kilowattstunden Strom. Liegt der Preis für Netzstrom bei 10 Cent pro Kilowattstunde, fallen allein 5 US-Dollar pro Kilogramm Wasserstoff nur für den Strom an. Das ist deutlich zu teuer, um diese Methode attraktiv zu machen.

Eine praktikable Vorgehensweise, die während dieser Studie entwickelt wurde, ist die Nutzung des Stromüberschusses von Windkraftanlagen oder Solarmodulen. Bei diesem Ansatz würden die Stromkosten weniger als 1 Cent pro Kilowattstunde betragen. Ren erklärt, dass diese Option nur umsetzbar sei, wenn Methoden zur Wasserstofferzeugung entwickelt würden, die ausschließlich grüne Energie nutzten.

Wissenschaftler erzielen Verbesserungen

Besonders attraktiv an der Wasserstoffgewinnung aus Meerwasser ist dessen reichliche und einfache Verfügbarkeit. Ein Team der Penn State hat im Rahmen einer Machbarkeitsstudie einen Meerwasserelektrolyseur entwickelt, der auf einer dünnen, halbdurchlässigen Membran basiert, die ursprünglich verwendet wurde, um Wasser über Umkehrosmose zu reinigen.

Die Wissenschaftler hatten mit zwei handelsüblichen Umkehrosmose-Membranen experimentiert und die benötigte Energie, den Qualitätsverlust der Membran sowie ihre Beständigkeit gegenüber dem Ionenaustausch gemessen. Dabei stellten sie fest, dass eine der Membranen durchaus gut für Meerwasser geeignet ist, weshalb weitere Nachforschungen anvisiert werden.

In einem weiteren Fall hat eine Gruppe an der University of Central Florida eine nanostrukturierte Dünnschicht hergestellt. Die Nanostrukturen enthielten Nickelselenid mit zugefügtem Phosphor und Eisen. Vorherige Bemühungen hatten aufgrund von Konkurrenzreaktionen nur eine begrenzte Wirksamkeit gezeigt.

Die Wissenschaftler bestätigten nun, dass die neue Herangehensweise vielversprechende Resultate liefere und eine zuverlässige, kosteneffiziente Lösung sei. Versuche zeigten, dass die Innovation für mehr als 200 Stunden höchst effizient und stabil war. Zukünftige Untersuchungen werden sich darauf konzentrieren, die neu entwickelten Materialien elektrisch effizienter zu machen und neue Optionen zu suchen, um diese Entwicklungen zu kommerzialisieren und zu finanzieren.