Kann Biochar die Kosten für grünen Wasserstoff senken?

Den richtigen Wasserstoffkatalysator finden

Wasserstoff könnte theoretisch ein perfekter Brennstoff sein, um Energie zu speichern und Anwendungen zu betreiben, die schwer zu elektrifizieren sind. Das liegt daran, dass er einige nahezu ideale Eigenschaften aufweist:

– Brennstoffzellen erzeugen Strom, ohne am Einsatzort Kohlendioxid zu produzieren.
– Wasserstoff kann die für die Metallurgie und andere schwer zu elektrifizierende Industrieprozesse erforderlichen hohen Temperaturen bereitstellen.
– Elektrolyse kann Wasserstoff aus Wasser mithilfe erneuerbarer Elektrizität erzeugen.
– Wasserstoff enthält kein Kohlenstoff, obwohl seine gesamte Umweltbilanz davon abhängt, wie er produziert und genutzt wird.

Allerdings wird der Aufstieg einer wasserstoffbasierten Wirtschaft durch die Schwierigkeit behindert, Wasserstoff kosteneffizient zu produzieren. Das liegt daran, dass grüner Wasserstoff im Allgemeinen durch Elektrolyse hergestellt wird, ein Prozess, dessen Kosten und Effizienz teilweise von den Elektrodenmaterialien abhängen. PEM‑Elektrolyseure basieren auf seltenen und teuren Platin‑Gruppen‑Metallen, insbesondere Platin und Iridium, während alkalische Systeme eher auf reichlich vorhandene nickelbasierte Katalysatoren zurückgreifen können.

Solange also keine bessere Produktionsmethode für Wasserstoff existiert, ist es unwahrscheinlich, dass wir ihn in großem Maßstab als Ersatz für fossile Brennstoffe sehen werden.

Deshalb erforschen Wissenschaftler zahlreiche Alternativen für Katalysatormaterialien, wie Eisen‑Nanoröhren, Siliziumkarbid oder Kobalt‑Wolfram.

Eine weitere Möglichkeit, grünen Wasserstoff zu produzieren, könnten kohlenstoffbasierte Katalysatormaterialien sein, die ironischerweise eine solide Lösung zur Begrenzung von Kohlenstoffemissionen darstellen könnten.

Eine neue Übersicht von indischen Forschern der Swami Rama Himalayan University und Graphic Era (Deemed to be University) untersuchte den Einsatz von biochar‑abgeleiteten Kohlenstoffnanomaterialien zu diesem Zweck. Biochar wird durch thermische Zersetzung von Biomasse unter sauerstoffarmen Bedingungen mittels Verfahren wie Pyrolyse hergestellt. Das liegt daran, dass biochar‑abgeleitete Kohlenstoffnanomaterialien, darunter potenziell Kohlenstoffnanoröhren (CNTs), Graphen sowie Kohlenstoff‑Quantenpunkte, Nanoblätter und Nanoflakes, eine hohe Oberfläche, anpassbare Strukturen, ausgezeichnete elektrische Leitfähigkeit und günstige elektrokatalytische Eigenschaften bieten.

Sie veröffentlichten ihre Ergebnisse in Next Energy¹ unter dem Titel „Biochar-abgeleitete Kohlenstoffnanomaterialien für nachhaltige Wasserstoffproduktion: Synthese, elektrokatalytische Leistung und zukünftige Perspektiven.“

Verbesserung der Wasserstoffproduktion

Wenn Wasserstoffatome das häufigste Element im Universum sind, sind sie auf der Erde meist an andere Elemente gebunden. Daher muss reines H₂‑Gas hergestellt werden, wobei die allgemein bevorzugte Methode die Elektrolyse von Wasser (H₂O) ist. Sie ist jedoch durch die hohe Spannung begrenzt, die nötig ist, um die kinetischen Barrieren der Wasserspaltung zu überwinden.

Die Überwindung dieser Spannungsbegrenzung ist die Hauptaufgabe von Elektrokatalysator‑Materialien.

Das für eine funktionierende Wasserstoffwirtschaft erforderliche Produktionsvolumen verlangt, dass solche Katalysatoren aus reichlich vorhandenen und günstigen Elementen hergestellt werden. Aus dieser Sicht sind aus Biomasse gewonnene Kohlenstoffnanomaterialien vielversprechende Kandidaten, da sie relativ verfügbare Ausgangsstoffe mit hoher Oberfläche, elektrischer Leitfähigkeit, chemischer Stabilität und anpassbaren elektrochemischen Eigenschaften kombinieren können.

Dies ist jedoch kein einfacher Prozess, denn die Umwandlung von Biomasse in nutzbares Biochar und anschließend in Katalysatoren erfordert nicht nur Pyrolyse, sondern auch umfangreiche mechanische, thermische und chemische Behandlungen.

Quelle: Next Energy

Leider ist trotz Fortschritten, wie man Rohbiomasse konsequent und im industriellen Maßstab in Kohlenstoffnanomaterialien umwandelt, noch nicht vollständig verstanden.

„Trotz zunehmenden Interesses fehlt nach wie vor ein systematisches Verständnis dafür, wie biochar‑basierte Kohlenstoffnanostrukturen als effiziente, kostengünstige Elektrokatalysatoren für die Wasserstoffproduktion entwickelt und optimiert werden können.“

Biochar‑Forschung verstehen

Literaturübersicht

Der Mangel an systematischer Analyse zu diesem Thema ist der Grund, warum die Forscher wissenschaftliche Literatur von Januar 2020 bis Februar 2026 gesammelt haben, wobei der Fokus auf einigen Themen lag:

• Biochar‑Herstellung und Eigenschaften der Vorläufer.
• Synthese und nanoskalige Verarbeitung von biochar‑basierten Kohlenstoffmaterialien.
• Physikalische, chemische und strukturelle Eigenschaften.
• Einbindung/Hybridisierung mit Metallkatalysatoren/anderen Katalysatormaterialien.
• Elektrokatalytischer Prozess der Wasserstoffentwicklungsreaktion (HER) und der Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER).
• Elektrochemische Leistung.
• Stabilität, Skalierbarkeit und zukünftige Perspektiven einer umweltfreundlichen Wasserstoffproduktion.

Biochar‑Herstellung

Biochar ist ein kohlenstoffreiches Material, das durch Erhitzen von Biomasse, einschließlich landwirtschaftlicher Rückstände, Holzabfällen und Gülle, unter sauerstoffbegrenzten Bedingungen hergestellt wird. Die Pyrolysetemperatur variiert je nach Ausgangsmaterial und gewünschten Eigenschaften; die Übersicht beschreibt Verarbeitungsbedingungen, die über einen einzelnen Temperaturbereich hinausgehen.

Neben der Pyrolyse kann das Verfahren auch genutzt werden, um Pflanzenbiomasse in Biochar umzuwandeln, etwa durch Vergasung und hydrothermale Karbonisierung.

Neben seinen potenziellen industriellen Anwendungen wird Biochar auch zunehmend zur Verbesserung von Böden für die Landwirtschaft verwendet und zur Kohlenstoffbindung eingesetzt.

Quelle: Discover Soil

Biochar kann zu Kohlenstoffnanomaterialien verarbeitet werden, die für die Wasserstoffproduktionsforschung geeignet sind. Einige vorgeschlagene Katalysatoren sind metallfrei, während andere Biochar‑abgeleiteten Kohlenstoff mit Kobalt, Eisen, Molybdän oder anderen katalytischen Materialien kombinieren. Der Ansatz kann niedrigwertige Biomasse in höherwertige Materialien umwandeln, wobei der Gesamtnutzen für Kohlenstoff von der Beschaffung des Ausgangsmaterials, dem Energieaufwand der Verarbeitung, chemischen Behandlungen und dem späteren Lebenszyklus des Materials abhängt.

Quelle: Next Energy

Aktivierung für die Wasserstoffproduktion

Der erste Schritt bei der Behandlung von Biochar sind physikalische Verfahren. Diese sind notwendig, um die Teilchengröße zu reduzieren und gleichzeitig die Porengröße sowie die Oberflächentopografie zu vergrößern. Dabei können verschiedene Methoden zum Einsatz kommen, wie Mikrowellen‑, Ultraschallverfahren und mechanische Zerkleinerung (Kompression, Mahlen, Schleifen, Zerkleinern und Torrefaktion).

Anschließend wird Hochdruckdampf bei extrem hohen Temperaturen eingesetzt, um die komplexe pflanzliche Lignozellulose‑Matrix in eine einfachere Struktur zu zerlegen.

Chemikalien sind ebenfalls Teil des Prozesses. Säurebehandlungen können die Nutzbarkeit der Cellulose verbessern. Dabei können Säuren wie Schwefelsäure, Salzsäure, Salpetersäure, Essigsäure, Oxalsäure und Phosphorsäure verwendet werden; das gewählte Reagenz und die Konzentration beeinflussen das resultierende Material. Am anderen Ende des pH‑Spektrums kommen alkalische Verbindungen wie Ammoniumhydroxid (NH4OH), Natriumhydroxid (NaOH) und Calciumhydroxid (Ca(OH)2) zum Einsatz, um die chemischen Bindungen zwischen Polymeren und Lignin zu lösen.

Diese Prozesse können auch mit einer Modifikation der chemischen Struktur des Biochars oder der Zugabe anderer Elemente gekoppelt werden, um das elektrochemische Potential zu „dotieren“.

„Sauerstoffhaltige Oberflächenfunktionalgruppen wie Hydroxyl-, Carbonyl- und Carboxylgruppen verbessern die Hydrophilie, den interfacialen Kontakt zu Elektrolyten und die Oberflächenreaktivität. Diese Gruppen können zudem an Redoxreaktionen teilnehmen und den Ladungstransfer erleichtern.“

Quelle: Next Energy

Steigerung der Wasserstoffproduktion

Die vorherigen Schritte dienen dazu, die Nanostruktur des Biochars so zu modifizieren, dass sie deutlich mehr Kohlenstoffnanostrukturen enthält: Kohlenstoffnanofasern, Graphen, Kohlenstoffnanoröhren, Kohlenstoffdots und Kohlenstoffnanoschichten.

Auf diese Weise wird es für einige Schlüsselfunktionen optimiert:

• Hohe elektrische Leitfähigkeit, die den Fluss freier Elektronen ermöglicht
• Chemische Stabilität und große poröse Oberfläche
• Geeignete Wasserstoff‑Adsorptions‑ und Desorptionscharakteristika, die die Wasserstoffentwicklungsreaktion beeinflussen

Quelle: Next Energy

Biochar‑Wasserstoff rentabel machen

Ein Hindernis, das die Verbreitung von Wasserstoff als gebräuchlichen Energieträger verhindert hat, sind die Kosten. Zum Teil liegt das lange Zeit an teuren Katalysatoren, die seltene und kostbare Metalle verwenden.

Im Fall von kohlenstoffbasierten Katalysatoren wirken weitere Kosten auf die potenzielle zukünftige Wirtschaftlichkeit dieses Prozesses ein:

• Anbau, Sammlung, Transport und Lagerung der Biomasse
• Pyrolyse und Dampfbearbeitung, die sehr energieintensiv sind.
• Verbesserung des Biochars durch chemische und mechanische Prozesse, wobei die Kosten für Ausrüstung und mögliche Umweltverschmutzung zu berücksichtigen sind.

Ein weiteres Problem, das die aktuelle Fachliteratur, die sich auf Laborergebnisse konzentriert, nicht ausreichend adressiert, ist die Haltbarkeit und Regenerationsfähigkeit von Biochar.

Obwohl einige Laborstudien vielversprechende elektrochemische Stabilität melden, stellt die Übersicht fest, dass Langzeit‑Haltbarkeit, Fouling‑Resistenz, Regenerationspotenzial und die Leistung unter realistischen industriellen Bedingungen noch unzureichend untersucht sind.

Ein weiteres ungelöstes Problem ist die fehlende Homogenität der Biochar‑Eigenschaften. Es gibt nahezu unzählige Variationen, die sich aus unterschiedlichen Biomasse‑Ausgangsmaterialien, Pyrolysebedingungen und Nachbehandlungen des Biochars ergeben.

Während einige Formulierungen vielversprechend sind, fehlt noch ein klares Prüf‑ oder Zertifizierungsverfahren, das die Qualität des Endprodukts garantiert; ein solches wird für industrielle Anwendungen im großen Maßstab erforderlich sein.

„Die Überwindung dieser Schwierigkeiten erfordert kollaborative Initiativen, die Gesetzgebung, industrielle Investitionen und akademische Forschung umfassen. Entscheidungsträger sollten unterstützende Rahmenbedingungen schaffen, die Innovation, Kommerzialisierung und den langfristigen Einsatz von Biochar in den Bereichen Energie, Umwelt und Landwirtschaft fördern.“

Dennoch macht das Potenzial, gleichzeitig niedrigwertige Biomasse hochzuskalieren, Kohlenstoff zu binden und die Kosten für grünen Wasserstoff zu senken, ohne dabei seltene Elemente zu benötigen, diese Technologie sehr attraktiv.

Laborstudien haben das technische Potenzial von aus Biochar gewonnenen Kohlenstoffnanomaterialien gezeigt, doch ihre Ergebnisse können nicht immer direkt verglichen werden, da Testbedingungen und Berichtsmethoden variieren. Die nächsten Schritte bestehen darin, Produktion und Leistungstests zu standardisieren, die Langzeitbeständigkeit zu validieren, Lebenszyklus‑ und techno‑ökonomische Bewertungen abzuschließen und die vielversprechendsten Kandidaten in industrielle Pilotprojekte zu überführen.

Investitionen in grünen Wasserstoff

Plug Power

Plug Power (PLUG ) bietet Brennstoffzellen, Elektrolyseure, Wasserstoff‑Speichergeräte, Betankungsinfrastruktur und Wasserstoff‑Produktionsdienstleistungen an. Das Unternehmen gibt an, mehr als 74.000 Brennstoffzellen‑Systeme und über 280 Betankungsstationen eingesetzt zu haben, während seine Elektrolyseure auf sechs Kontinenten verteilt sind.

Plug ist zudem eine spekulative Investition. Das Unternehmen hat seine Wasserstoff‑Produktions‑ und Elektrolyseur‑Geschäfte ausgebaut, sieht sich jedoch weiterhin finanziellen, operativen, Finanzierungs‑ und Kommerzialisierungsrisiken gegenüber. Fortschritte, die die Produktionskosten für Wasserstoff senken, könnten seinen adressierbaren Markt unterstützen, würden jedoch nicht allein die finanziellen Probleme des Unternehmens lösen.

Source: Plug Power

Seine Relevanz für diese Forschung ergibt sich vor allem aus seinem Elektrolyseur‑Geschäft. Plug stellt Proton‑Austausch‑Membran‑Elektrolyseure her, eine Technologie, die derzeit von Katalysatoren aus Platin‑Gruppen‑Metallen abhängt. Wenn aus Biochar gewonnene Materialien oder verwandte Kohlenstoff‑Metall‑Hybride künftig den Katalysatorbedarf reduzieren, die Elektrodenleistung verbessern oder die Systemkosten senken, könnten Elektrolyseur‑Hersteller von diesen Verbesserungen profitieren.

Allerdings befinden sich die untersuchten Biochar‑Materialien noch im Laborstadium, und es gibt keinen Hinweis darauf, dass Plug Power sie derzeit verwendet oder plant, sie zu verwenden. Das Unternehmen sollte daher eher als nachgelagerte Exposition gegenüber dem breiteren Ausbau von grünem Wasserstoff betrachtet werden und nicht als direkte Exposition gegenüber Biochar‑abgeleiteten Katalysatoren.

Source: Plug Power

(Sie können mehr über Plug Power in unserem speziellen Investitionsbericht zum Unternehmen lesen.)

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Studie zitiert

^{1. Vishal Rajput. Aus Biochar gewonnene Kohlenstoffnanomaterialien für nachhaltige Wasserstoffproduktion: Synthese, elektrokatalytische Leistung und zukünftige Perspektiven. Next Energy. Volume 13, Oktober 2026, 100995. https://doi.org/10.1016/j.nxener.2026.100995}