Wasserstofferzeugung durch Spaltung von Wasser mit eingebettetem Swarf

Wasserstoff- und Elektrolysekosten

Hydrogen is a promising fuel for a green economy, from transportation to energy storage, and may be the only realistic carbon-free alternative fuel for many industries like shipping and air flight.

Ein entscheidender Faktor, der das Aufkommen der Wasserstoffwirtschaft zurückgehalten hat, sind die Kosten, insbesondere die Kosten der Wasserstoffproduktion.

Grüner Wasserstoff (aus erneuerbarer Energie) wird hauptsächlich durch Elektrolyse hergestellt, die viel Energie und Katalysatoren erfordert. Solche Katalysatoren sind in der Regel teuer und basieren meist auf Metallen wie Platin. Je mehr Platin verwendet wird, desto teurer wird der Elektrolyseur.

Metalle wie Platin sind nicht nur teuer, sondern auch extrem selten und würden bei einer massenhaften Einführung von Wasserstoff als Energiequelle knapp werden.

So, it was important news that researchers announced a drastic reduction in the catalyst requirement for electrolysis.

“Wir sind in der Lage, Wasserstoff aus Wasser zu produzieren, indem wir nur ein Zehntel der Platinmenge im Vergleich zu modernsten kommerziellen Katalysatoren verwenden.” – Dr Madasamy Thangamuthu, Postdoctoral Researcher at the University of Nottingham.

Günstige Elektrolyse mit Swarf (Metallschrott)

This discovery was made by researchers at the University of Nottingham, UK, and published in the Journal of Material Chemistry, under the title “From scrap metal to highly efficient electrodes: harnessing the nanotextured surface of swarf for effective utilization of Pt and Co for hydrogen production”.

Die ersten Erkenntnisse entstanden durch die Analyse von Swarf im Nanomaßstab. Swarf sind Spiralen aus Metallschrott, die bei der Bearbeitung von Metallen wie Edelstahl, Titan oder Nickellegierungen als Abfall entstehen. Allein die Industrie im Vereinigten Königreich erzeugt jährlich Millionen Tonnen Metallabfall.

Quelle: Nottingham University

Bei der Analyse dieser Swarfs mit einem Elektronenmikroskop entdeckten die Forscher, dass diese Metallabfallprodukte, entgegen einer glatten Oberfläche, Rillen und Erhebungen aufwiesen, die nur wenige Zehn Nanometer breit waren.

Diese sehr komplexen Strukturen und die enormen Kontaktflächen würden ideale Substrate für Elektrokatalysatoren darstellen, die bei der Elektrolyse zur Wasserstoffproduktion eingesetzt werden.

Quelle: Journal Of Material Chemistry

Magnetischer Platinregen auf Swarfs

To add platinum atoms to the swarf, the researchers used a technique called magnetron sputtering. This is a technique used in semiconductor production to deposit an ultra-thin film of metal, thanks to powerful magnetic fields.

Quelle: Korvus Tech

This method “rains” platinum atoms upon the swarf, and deposits them in the nanometer-sized grooves and ridges.

“Durch das Verteilen von nur 28 Mikrogramm des Edelmetalls auf 1 cm² des Swarf konnten wir einen Labor‑Elektrolyseur schaffen, der mit 100 % Effizienz arbeitet und 0,5 Liter Wasserstoffgas pro Minute aus einem einzigen Stück Swarf erzeugt.” – Dr Madasamy Thangamuthu, Postdoctoral Researcher at the University of Nottingham.

This method allowed for the creation of 2 types of hydrogen-generating electrocatalysts:

• Titanium‑Swarf mit Platinatomen als Katalysator für die Wasserstoffentwicklungsreaktion (HES).
• Nickel‑Swarf mit Kobalt‑Atomen als Katalysator für die Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER)

Quelle: Journal Of Material Chemistry

The Nottingham researchers are now working with the company AqSorption to scale up the technology.

Zusammenführung von Wasserstoffinnovationen

Neue Katalysatorparadigmen

The building of the hydrogen economy will require that every step of the hydrogen production and distribution chain become as efficient as possible.

Bis vor kurzem machten die Seltenheit und die hohen Kosten von Platin‑ und Kobalt‑basierten Katalysatoren die Entdeckung alternativer Katalysatoren notwendig. Zum Beispiel haben wir die Möglichkeit diskutiert, Nickel‑Nanorods in “Hydrogen Production Advancements with Nickel Based Electrolysis” zu verwenden, und alternative Katalysatoren wie Ruthenium, Silizium und Wolfram (RuSiW) in “Green Hydrogen Set to Replace Grey as New Electrocatalysts Make Production Cost-Effective”.

Die Entdeckung der Nutzung von Swarf könnte die Notwendigkeit solcher neuer Katalysatoren beseitigen.

Vielleicht könnten diese Innovationen kombiniert werden, um noch effizientere neue Katalysatortypen zu schaffen. Alternativ, da die benötigte Platinmenge jetzt um das Zehnfache reduziert werden kann, könnte die Verwendung von Platin‑Nanorods zur Erreichung ultra‑hoher Katalyseeffizienz eine Option sein.

Verbesserung der Wasserstofftechnologie & Ammoniak

This will likely combined with other innovations, like more efficient storage of hydrogen as discussed in “Hydrogen Just Became More Attractive as an Energy Source Through Containment Breakthrough”. Efficient conversion of hydrogen into power as discussed in “Are Battery Cells Just Precursor to Hydrogen Fuel Cells? The Real Next-Gen of EVs?”.

Schließlich könnten die hocheffiziente, kostengünstige Wasserstoffelektrolyse, -speicherung und -nutzung mit dem massenhaften Einsatz von Ammoniak als Kraftstoff, Transport- und Langzeitspeicherform für Wasserstoff kombiniert werden, wie in “Decarbonizing Global Shipping Lanes through Green Ammonia” und “Ammonia Production is Hugely Detrimental to the Environment – Engineers Have Just Developed a Cleaner Method” erörtert.

Auf Wasserstoff fokussierte Unternehmen

1. Sibanye Stillwater

Der Einsatz von Swarf zur Wasserstoffproduktion könnte die Durchführbarkeit einer massenhaften Einführung von grünem Wasserstoff dramatisch erhöhen, indem platinbasierte Elektrolyse wirtschaftlich machbar wird.

Dies könnte dem Platinmarkt, der in den letzten Jahren unter Druck stand, einen enormen Aufschwung verleihen.

Ein wesentlicher Grund für die Unterperformance von Platin war seine starke Abhängigkeit von der Nachfrage nach Katalysatoren in Verbrennungsmotoren von Autos und Lastwagen. Da die Welt auf Elektrofahrzeuge umsteigt, stellte dies die Nachfrage nach diesem Metall in Frage.

Quelle: Sibanye Stillwater [securities_stock_price_tag symbol="SBSW" exchange="NYSE"]

Alternativ, wenn platinbasierte Elektrolyse unter Verwendung von Metallschrott aus der Luft- und Raumfahrtindustrie zum Kern der Wasserstoffwirtschaft wird, ist die Platin­nachfrage für die kommenden Jahrzehnte gesichert.

Das südafrikanische Unternehmen Sibanye Stillwater ist einer der größten Platinproduzenten der Welt. Das Land produziert 80 % des weltweiten Platins, und Sibanye Stillwater ist für ein Viertel dieser Produktion verantwortlich.

Quelle: Mining Technology

Es ist zudem Produzent von Platin‑Metallgruppen‑Elementen wie Palladium, Rhodium und Ruthenium. Derzeit diversifiziert das Unternehmen, um in die Gold‑ und Batteriemetall‑Märkte einzusteigen.

Quelle: Sibanye Stillwater

Der Platinmarkt wurde bislang von der Debatte über die Einführung von Elektrofahrzeugen gegenüber Verbrennungsmotoren (ICE) dominiert. Durch die rasche Innovation bei der Nutzung von Wasserstoff‑Elektrolyse mit Platin und anderen Platin‑Metallgruppen‑Elementen könnte sich dies ändern.

Platin wird zudem in den meisten Designs von Brennstoffzellen benötigt, die Wasserstoff in Strom umwandeln. Insgesamt sollte der Fortschritt in der Wasserstofftechnologie, einschließlich der Swarf‑basierten Elektrolyse, aber nicht ausschließlich, platin‑fokussierten Bergbauunternehmen wie Sibanye Stillwater zugutekommen.

2. Ballard Power Systems Inc.

Ballard ist ein Brennstoffzellenhersteller und ein Pionier der Technologie, dessen erster Brennstoffzellenbus 1993 produziert wurde.

Das Unternehmen konzentriert sich auf Schwerlastmärkte: Busse, Lastwagen, Züge/Trams, Schiffe, Bergbau/Bau und Energie. Während Busse das Kerngeschäft darstellen, erwartet das Unternehmen, dass bis 2025 Lastwagen ein bedeutender Geschäftsbereich werden. Es rechnet außerdem damit, dass Europa mit 50‑60 % sein Hauptmarkt bleibt, gefolgt von Nordamerika mit 25 %.

Brennstoffzellen für den Lkw-Bereich werden voraussichtlich weiter wachsen und im Jahr 2030 einen Markt von 7,5 Mrd. $ darstellen (aus einem Gesamtmarkt von 195 Mrd. $), fast so groß wie alle anderen Wasserstoff‑/Brennstoffzellen‑Anwendungen zusammen. Dieses Wachstum könnte sich beschleunigen, wenn die Wasserstoffproduktionskosten dank neuer Technologien sinken.

Quelle: Ballard

Aufgrund des höheren Leistungsbedarfs und des Bedarfs an schnellem Laden sind Schwerlastfahrzeuge ein guter Markt für Wasserstoff und Brennstoffzellen im Vergleich zu leichteren Fahrzeugen wie Autos. Zudem reduziert es den Bedarf an Oberleitung für Bahnen und Oberleitungsbusse sowie das schnelle Aufladen für den Fernverkehr.

Quelle: Ballard

Das Unternehmen ist auch mit Ammoniak vertraut, zum Beispiel durch einen kürzlich abgeschlossenen Vertrag mit Amogy, um Brennstoffzellen für dessen „Ammoniak‑zu‑Energie‑Plattform, die auf einer einzigartigen Ammoniak‑Spaltungstechnologie beruht“ bereitzustellen.

Während Elektrofahrzeuge eine realistische Chance haben, den Automarkt schnell zu übernehmen, sind schwerere Fahrzeuge schwieriger zu dekarbonisieren. Mit seiner etablierten Führungsposition im Sektor wäre Ballard ein Hauptprofiteur einer politischen Initiative hin zu einer Wasserstoffwirtschaft.

Die Wasserstoffproduktion wird dank Fortschritten bei Katalysatoren, die die Kraftstoffkosten von wasserstoffbetriebenen Fahrzeugen mechanisch senken, schnell günstiger. Da die Ölpreise aufgrund geopolitischer Spannungen und steigender CO₂‑Steuern steigen, könnte dies die Waage zugunsten von Wasserstoff neigen, insbesondere für Fahrzeuge, die viel Leistung benötigen und hohe Laufleistungen haben (Lastwagen, Busse usw.).