Energie
Wie KI die Produktion von grünem Wasserstoff beschleunigen könnte
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Grüner Wasserstoff ist der fehlende Schlüsselstein für eine fossilfreie Zukunft. Der Grund ist, dass Strom allein die Industrien, die auf Brennstoffe und chemische Ausgangsstoffe angewiesen sind, nicht vollständig dekarbonisieren kann. Das umfasst riesige Sektoren der Wirtschaft, wie Schwerlast‑Lkw, Schifffahrt, Luftverkehr, Chemieproduktion, Stahlherstellung und andere Metallurgie, Bergbau usw.
Für all diese Aktivitäten kann grüner Wasserstoff direkt oder umgewandelt in Ammoniak oder erneuerbare Kraftstoffe dazu beitragen, Vorgänge zu betreiben, die flüssigen Brennstoff benötigen, jedoch ohne von fossilen Brennstoffressourcen abhängig zu sein.
Das Potenzial dieser Technologie wurde kürzlich in einer Studie von Forschern der McGill University (Kanada) und des Indian Institute of Science Education and Research (IISER) Bhopal (Indien) analysiert. Darin diskutieren sie die verschiedenen möglichen Quellen für grünen Wasserstoff sowie die elektrochemischen Methoden, die zur Herstellung nachhaltiger flüssiger Kraftstoffe und anderer Kohlenwasserstoffprodukte eingesetzt werden können.
Sie veröffentlichten ihre Ergebnisse in Renewable and Sustainable Energy Reviews1, unter dem Titel “Electrochemical energy technologies: Current progress and future opportunities for sustainable energy transitions”.
Warum gasförmige und flüssige Kraftstoffe wichtig sind
Der Hauptgrund für die Verfolgung der Dekarbonisierung ist der Klimawandel, angetrieben durch den Anstieg der Treibhausgasemissionen, von denen das wichtigste CO₂ ist, gefolgt von Methan (CH₄).
„Das Versagen, den negativen Klimawandel umzukehren, birgt Risiken im Zusammenhang mit wirtschaftlicher Instabilität, extremen Wetterereignissen und wachsenden sozialen Ungleichheiten “
Infolgedessen ist die Reform unseres auf fossilen Brennstoffen basierenden Energiesystems entscheidend. Leider ist das noch lange nicht erledigt, selbst mit dem jüngsten Anstieg der erneuerbaren Energien, da dieser hauptsächlich die Stromerzeugung betrifft. Aber der Großteil des primären Energieverbrauchs der Menschheit nutzt nicht Strom. Stattdessen wird diese Energie für Heizung, industrielle Produktion, Schifffahrt, Fliegen, Lkw usw. verwendet. Infolgedessen stammen die überwiegende Mehrheit der Energiequellen weiterhin aus fossilen Brennstoffen, wobei Kohle, Öl und Gas mehr als 80 % der globalen Energiequellen ausmachen.
Quelle IEA
Die Dekarbonisierung dieser Aktivitäten kann aus mehreren Gründen schwierig sein:
- Bestehende Systeme können nicht mit Strom betrieben werden, und es wird mindestens mehrere Jahrzehnte dauern, die vorhandene Flotte von Lkw, Schiffen, Flugzeugen, Fabriken, Gießereien usw. durch elektrifizierte Alternativen zu ersetzen.
- Viele dieser Systeme haben einfach keine elektrische Alternative zu flüssigem Brennstoff und Verbrennung, um effizient genug zu bleiben.
- Grüne Brennstoffalternativen waren bisher zu teuer, um wirtschaftlich mit fossilen Brennstoffen zu konkurrieren.
Daher besteht ein Bedarf an grünen Kohlenwasserstoffen, Molekülen, die hauptsächlich aus Kohlenstoff‑ und Wasserstoffatomen bestehen und chemisch identisch mit fossilen Brennstoffen sind, sodass die bestehenden Energie‑, Logistik‑ und Industrieanlagen dekarbonisiert werden können, ohne dass eine schnelle Elektrifizierung erforderlich ist – eine Aufgabe, die je nach Anwendungsfall sehr schwierig (Lkw, Heizung) bis praktisch unmöglich (Luftverkehr) sein kann.
Umstieg auf ein nachhaltiges Energiesystem
Die Bedeutung von grünem Wasserstoff
Wasserstoff ist ein reichlich vorhandenes Element, besonders in Form von Wasser (H₂O), kann jedoch in seiner reinen Form (H₂) nicht in der Natur gefunden werden. Daher muss er zunächst erzeugt werden, um grünen Wasserstoff zu produzieren, was Energie verbraucht.
Damit Wasserstoff einen bedeutenden Beitrag zur Dekarbonisierung leisten kann, muss seine Produktion ebenfalls eine geringe CO₂‑Bilanz aufweisen. Die mit erneuerbarem Strom betriebene Elektrolyse ist der bekannteste Weg, während aufkommende Techniken Wasserstoff auch aus biomasse‑abgeleiteten Molekülen bei deutlich niedrigeren Spannungen extrahieren könnten.
Wenn Strom zur Wasserstoffproduktion verwendet wird, um nützliche grüne Kohlenwasserstoffe herzustellen, werden diese Methoden allgemein als „Power‑to‑X“ bezeichnet, wobei „X“ durch Gas, Öl oder jede andere Chemikalie ersetzt werden kann, wobei die elektrochemische Umwandlung reinen Wasserstoff und CO₂ oder andere Kohlenstoffquellen in nützliche, leicht zu nutzende und zu lagernde Produkte verwandelt.
Ein zusätzlicher Vorteil der Umwandlung von Wasserstoff in andere Verbindungen besteht darin, dass Wasserstoff notorisch schwer zu speichern und zu transportieren ist. Methan oder flüssige Kraftstoffe sind im Vergleich deutlich einfacher.
Schließlich bedeutet die intermittierende Natur der erneuerbaren Stromerzeugung, dass zu Zeiten, in denen die Energieproduktion die Nachfrage übersteigt, die Wasserstoffproduktion diesen Überschuss aufnehmen kann, der derzeit größtenteils verschwendet wird.
„Methanol, das durch elektrochemische Reduktion von Kohlendioxid hergestellt wird, kann ein umweltfreundlicher Energieträger mit höherer Energiedichte im Vergleich zu Wasserstoff sein und reduziert Kosten sowie Herausforderungen wie Lagerung und Transport. Methan kann durch elektrochemische Reduktion von Kohlendioxid erzeugt werden und lässt sich in bestehenden Erdgaspipelines speichern.“
Die vielen Wege zu nachhaltigen Kraftstoffen
Die Studie identifiziert nicht weniger als 16 verschiedene wertschöpfende Chemikalien, die mithilfe von grünem Wasserstoff hergestellt werden können, wie Kohlenmonoxid (Hauptbestandteil von Synthesegas), Ameisensäure, Methanol, Methan, Ethanol, Ethylen und Propanol. In vielen Fällen ist dies ein mehrstufiger Prozess mit ebenso nützlichen chemischen Zwischenprodukten.
Eine weitere Möglichkeit für grünen Wasserstoff aus einem Elektrolyseur ist Wasserstoff, der aus Biomasse erzeugt wird. Zunächst wurden einige Strategien mit bakterieller Zersetzung verfolgt, aber die Ausbeuten erwiesen sich als zu gering.
Eine neue vielversprechende Technologie ist die anodische Erzeugung von Wasserstoff direkt aus Biomasse‑Plattformmolekülen. Dies kann bei deutlich niedrigerer Spannung als die üblichen Verfahren, die auf Sauerstoffentwicklungsreaktionen (OER) basieren, durchgeführt werden.
Kupferbasierte Katalysatoren werden für diese Methode überwiegend eingesetzt, benötigen jedoch noch Verbesserungen, um eine Deaktivierung des Katalysators zu vermeiden. Das Hinzufügen anderer Metalle oder Elemente bzw. das Einbringen fortschrittlicher Nanostrukturen in das Kupfer‑Bulk kann die Leistung radikal verbessern.
KI, Elektrolyseure und Wasserstoff
Elektrolyseure, die Wasser in Wasserstoff spalten oder Biomasse in nützlichere Verbindungen verarbeiten, sind ein vielversprechendes Feld für grüne Energie und Wasserstoffproduktion.
Bisher wurde die Verbesserung von Katalysatoren für diesen Prozess hauptsächlich durch das Ausprobieren vieler neuer Kombinationen verschiedener Elemente, Katalysatortypen, Nanostrukturen und Ladungstransfers erreicht. Dies erzeugt jedoch praktisch unendlich viele Kombinationen, ohne ein einfaches mathematisches Modell, das das Verhalten eines neuen Katalysatordesigns in der Praxis vorhersagen könnte.
KI könnte dieses Problem lösen, da sie bereits in anderen Bereichen der grünen Energie auf diese Weise eingesetzt wird. Zum Beispiel wurde KI bei der Entwicklung von Photovoltaik‑Geräten genutzt, um die korrekten Bandlücken und Defektenergien in den optoelektronischen Materialien vorherzusagen, was die Entdeckung neuer Materialien beschleunigt.
Ähnlich war KI erfolgreich bei der Entdeckung neuer Redox‑Elektrolyte für Redox‑Flow‑Batterien, indem ein umfassendes Sampling des großen chemischen Raums nach aktiven organischen Molekülen durchgeführt wurde, um geeignete Elektrolyte zu identifizieren, oder bei neuartigen Elektrodenmaterialien für Festkörper‑Na‑Ion‑ und Li‑Ion‑Batterien.
Für elektrochemische Energietechnologien könnte KI das komplexe Bild für Forscher vereinfachen.
„KI kann Informationen über die Oberflächenaktivität, die Lage aktiver Stellen auf der Oberfläche mit Bindungsabständen, Bindungsenergien der Reaktanten, Produkte und Zwischenprodukte der elektrochemischen Reaktionen basierend auf der Qualität der für das Training der KI‑Modelle verwendeten Daten bereitstellen.“
Diese Methode kann viel Rätselraten entfernen und schnell neue, vielversprechendere Kandidatenmaterialien liefern, die dann im Labor getestet werden können.
Ein weiterer Einsatz von KI besteht darin, den Prozess so zu gestalten, dass neben grünem Wasserstoff auch eine elektrochemische Aufwertung von Biomasse erfolgt, was zu nützlichen Säuren, Aldehyden, Furane und Alkoholen führt.
„Robuste KI‑Modelle können sowohl auf experimentelle als auch auf Simulationsdaten angewendet werden, um die Struktur‑Eigenschafts‑Beziehungen für das rationale Design des elektrochemischen Reaktionsaufbaus zu erfassen, um eine gute Selektivität, Kontrolle und hohe Faraday‑Effizienz der gewünschten Produkte zu erreichen.“
Die Kommerzialisierung zu erreichen ist nie einfach
Obwohl vielversprechend und dank KI wahrscheinlich profitabler und nützlicher werden, ist die elektrochemische Produktion von Wasserstoff durch Elektrolyseure, aus Wasser oder Biomasse, noch nicht in großem Maßstab zu einem sehr niedrigen Preis pro Kilogramm realisiert. Nur dann wird sie effizient mit fossilen Brennstoffen konkurrieren können.
Weitere Einsätze dieser Technologie sind nötig, und nicht nur die Verbesserung der vielversprechenden Konzepte im Labor.
Haltbarkeit, Selektivität, Stromdichte und die Wirtschaftlichkeit im Pilotmaßstab müssen alle verbessert werden, um die im Labor vielversprechende Methode in etwas zu verwandeln, das im Terawatt‑Maßstab eingesetzt werden kann, um Kohle, Gas und Öl aus den globalen Energiesystemen signifikant zu verdrängen.
Dennoch ist es wahrscheinlich, dass dies bald kommt, insbesondere da die Verbesserung der Wirtschaftlichkeit von Elektrolyseuren und grünen Kraftstoffen wahrscheinlich etwas einfacher ist, als die Elektrifizierung der meisten Technologien und Infrastrukturen zu managen, die in den letzten 100 Jahren von der modernen Zivilisation aufgebaut wurden.
Für Investoren bleiben viele der oben diskutierten elektrochemischen Wege noch zu frühphasig, um direkte öffentliche Marktexposition zu bieten. Ein praktischerer Ansatz besteht darin, Unternehmen zu betrachten, die bereits die zugrunde liegende Infrastruktur, die für die Produktion und Nutzung von Wasserstoff im großen Maßstab erforderlich ist, kommerzialisieren. Eine der etablierten börsennotierten Optionen ist Bloom Energy, dessen Festoxid‑Elektrolyse‑ und Brennstoffzellen‑Technologien eine Beteiligung am breiteren Ausbau elektrochemischer Energiesysteme ermöglichen.
Investitionen in erneuerbare Kraftstoffe
Bloom Energy
BE Preisdiagramm
Bloom Energy ist ein globaler Marktführer im Bereich Elektrolyseur‑Technologie und Brennstoffzellen.
Derzeit liegt der Hauptmarkt des Unternehmens bei Brennstoffzellen, die Kraftstoff in hocheffizienten Strom ohne Verbrennung umwandeln und dabei hochtemperaturige Luft sowie einen CO₂‑Strom mit hoher Konzentration erzeugen. Das Design ist von Natur aus modular, wobei mehr Leistung einfach mehr Zellen erfordert, bis hin zur Megawatt‑Skala.
Quelle: Bloom Energy
Von 2024 bis heute hat Bloom Energy seinen Fokus von den anfänglichen Märkten Krankenhäuser, abgelegene Standorte und Notstromversorgung auf Rechenzentren verlagert, was zu einem massiven Aufschwung sowohl bei den Verkäufen als auch beim Aktienkurs führte.
Dies wird auch durch die Umstellung von KI‑Rechenzentren auf reine DC‑Architektur (statt der aktuellen AC/DC‑Mischung) unterstützt, wodurch Platz und Ausrüstung für die KI‑Rechenzentrums‑Infrastruktur eingespart werden.
Bloom hat eine Partnerschaft gestartet, um seine Brennstoffzellentechnologie mit CO₂‑Abscheidetechnologie zu kombinieren, sodass die produzierte Energie im Wesentlichen kohlenstoffneutral ist, selbst wenn sie mit Erdgas betrieben wird. Und seit 2022 produziert das Unternehmen hocheffiziente Wasserstoff‑Festoxid‑Elektrolyseure.
Damit verfügt Bloom über relevante Expertise im Skalieren elektrochemischer Systeme, obwohl die in der Studie diskutierten Biomasse‑Elektrolyse‑ und CO₂‑Umwandlungswege heute außerhalb seines Kernangebots liegen.
Dennoch sollten Investoren hauptsächlich in den zukünftigen Erfolg von Bloom Energy im Rechenzentrumsmarkt investieren, da dieser den unmittelbaren Erfolg stärker bestimmen wird als ein potenzielles zukünftiges Wachstum in den Wasserstoff‑ und grünen Kraftstoffmärkten.
(Sie können mehr über Bloom Energy in unserem Investmentbericht, der dem Unternehmen gewidmet ist)
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Studie referenziert
1. Ignacio Aguilar at al. Elektrochemische Energietechnologien: Aktueller Fortschritt und zukünftige Möglichkeiten für nachhaltige Energiewende. Renewable and Sustainable Energy Reviews. Volume 242, Dezember 2026, 117313. https://doi.org/10.1016/j.rser.2026.117313 auf Deutsch.
