Nachhaltigkeit

Wasserstoff und Süßwasser aus Meerwasser? Eine solarbetriebene Lösung entsteht

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Bedarf an Wasser und Wasserstoff decken

Unter den am meisten benötigten Ressourcen in vielen Regionen der Welt mit wachsenden Bevölkerungen ist Süßwasser. Dies ist ein wachsendes Problem und potenziell ein Faktor geopolitischer Instabilität, zum Beispiel die Diskussion darüber, wer die Wasser des Nils nutzen darf, brachte fast Ägypten und Äthiopien an den Rand eines Krieges.

Während Entsalzungsmethoden immer häufiger werden, sind sie sehr energieintensiv, und selbst die massenhafte Installation von Solarpaneelen reicht oft nicht aus.

Eine weitere Notwendigkeit ist mehr erneuerbare Energie in einer Form, die gespeichert und als Brennstoff für schwere Geräte und die Industrie verwendet werden kann. Theoretisch wäre Wasserstoff eine gute Option, doch bislang konnte er wegen zu hoher Kosten nicht in großem Maßstab eingesetzt werden.

Auch hier kann Solarenergie helfen, aber die Kosten der Wasserstoffproduktion durch Elektrolyse haben ihre Nutzung eingeschränkt.

Es scheint, dass beide Probleme gleichzeitig durch eine neue solarbetriebene Elektrolysetechnologie, die nicht Süßwasser, sondern Meerwasser nutzt, angegangen werden können. Dabei entsteht als Nebenprodukt der Wasserstofferzeugung sogar Süßwasser.

Es wurde von Forschern der Johns Hopkins University, Michigan State University, Cornell University, Lehigh University und MIT erfunden, die ihre Ergebnisse in der Zeitschrift Energy & Environmental Science unter dem Titel “Über 12 % Effizienz bei solarbetriebener grüner Wasserstoffproduktion aus Meerwasser” veröffentlicht haben.

Meerwasser nutzbar machen

Meerwasser ist vielleicht die am meisten vorhandene Ressource auf der Erde und bedeckt 70 % der Erdoberfläche. Es ist für den Großteil der Weltbevölkerung leicht zugänglich, da mehr als 40 % innerhalb von 100 km (62 Meilen) zur nächsten Küste wohnen und mehr als 50 % innerhalb von 200 km (124 Meilen).

„Deshalb haben wir diese Technologie entwickelt. Wir dachten: ‚Okay, was ist die am meisten vorhandene Ressource auf der Erde?‘ Solarenergie und Meerwasser sind praktisch unendliche und zudem kostenlose Ressourcen.“

Lenan Zhang – Assistenzprofessor an der Cornell Engineering

Leider ist Meerwasser salzig und ungeeignet für den menschlichen Konsum sowie die Bewässerung von Pflanzen. Deshalb werden in trockenen Regionen alternative Süßwasserquellen wie Atmosphärische Wassergewinnung oder bessere Aufbereitung von Abwasser in Betracht gezogen.

Dennoch ist die Entsalzung wahrscheinlich die einzige dauerhafte Lösung im großen Maßstab, um vielen Ländern reichlich Wasser zu liefern. Da diese Länder oft in sonnigen Regionen liegen, ist solarbetriebene Entsalzung, entweder durch Ionmembranen oder direkte Verdampfung, eine mögliche Lösung. Die Fixkosten dieser Systeme machen die Wasserproduktion jedoch recht teuer.

„Wasser und Energie sind beide für unser tägliches Leben unverzichtbar, aber typischerweise muss man, wenn man mehr Energie produzieren will, mehr Wasser verbrauchen.

Auf der anderen Seite benötigen wir Trinkwasser, weil zwei Drittel der Weltbevölkerung mit Wasserknappheit konfrontiert sind.

Lenan Zhang – Assistenzprofessor an der Cornell Engineering

Als Randnotiz: Meerwasser ist zudem keine geeignete Quelle für die Wasserstofferzeugung, die ultra-reines (destilliertes) Wasser erfordert.

Bessere Nutzung des Sonnenlichts

Bisher hat die Wirtschaftlichkeit der Entsalzung das Problem, dass große und teure Solarsammelanlagen gebaut werden müssen, während versucht wird, Wasser so günstig wie möglich zu produzieren.

Was die Forscher dieser Studie getan haben, war, diese Anlagen dazu zu bringen, gleichzeitig etwas Wertvolleres (Wasserstoff) zu produzieren und dabei Wasser zu erzeugen.

Grundsätzlich können photovoltaische Anlagen nur einen Teil der Sonnenenergie nutzen, da 100 % Effizienz unmöglich sind und einige Wellenlängen zu kurz oder zu lang für das Silizium der Paneele sind.

Dadurch wird in photovoltaischen Anlagen viel Sonnenenergie verschwendet. Noch schlimmer: Diese Sonnenenergie erzeugt Wärme, die die Effizienz der Solarpaneele weiter reduziert (die meisten Designs funktionieren am besten unter 30 °C (86 °F)).

Alles gleichzeitig erledigen

Da diese Probleme scheinbar unmöglich getrennt zu lösen sind, zumindest auf wirtschaftlich konkurrenzfähige Weise, könnte die Lösung ein ganzheitlicher Ansatz sein. Mit diesem Konzept im Hinterkopf prüften die Forscher mögliche Synergien, wenn dasselbe Gerät gleichzeitig Strom, Wasserstoff und Süßwasser erzeugt, und dabei nur Sonne und Meerwasser nutzt.

Das von ihnen konzipierte Design soll jedes Problem gleichzeitig lösen, indem jede Einschränkung eines Teilprozesses die Lösung für ein anderes Problem wird:

  • Wasserstoff- und Süßwasserproduktion erfolgen im selben Gerät, um Kapital­kosten zu teilen und das gesamte Sonnenspektrum zu nutzen.
  • Das Wasser stammt aus Meerwasser, wodurch Ressourcenbeschränkungen für die Wasserstoffproduktion entfallen.
  • Die Produktion von ultra‑rein­em Süßwasser absorbiert Wärme, hält die Solarpaneele kühl und erhöht die Stromerzeugung.
  • Meerwasser kommt nie mit dem Elektrokatalysator in Kontakt, der den Wasserstoff erzeugt, wodurch Korrosion und unerwünschte chemische Reaktionen vermieden werden.
  • Da die Energie direkt im selben Gerät für die Wasserstoffproduktion genutzt wird, sind Batterien, Netzaufrüstungen usw. nicht nötig.

Fortschrittliche Fertigung

Obwohl das Konzept einfach erscheint, ist es eine echte ingenieurtechnische Herausforderung, all diese Vorgänge gleichzeitig effizient zu bewältigen.

Der Verdampfer und der PEM‑Elektrolyseur sind durch einen Luftspalt getrennt, wodurch ein direkter Kontakt zwischen Meerwasser und Elektrokatalysatoren vermieden wird.

Einige weitere Merkmale wurden hinzugefügt, um das Design zu verbessern:

  • Ein kapillarer Docht, der das Wasser in einen dünnen Film einschließt, der in direktem Kontakt mit dem Solarpanel steht, sodass das Panel durch Verdampfung gekühlt wird.
  • Ausnutzung des thermischen Effekts zur Erhöhung des Dampfdrucks, ein Muss für höhere Produktionsraten von destilliertem Wasser und effizienter Wasserstofferzeugung.
  • Verwendung der beim Phasenwechsel von Dampf zu Flüssigkeit freigesetzten Energie zur Verbesserung der Wasserstoffproduktions‑Effizienz.
  • Einseitiger Meerwasserfluss, um Salzablagerungen zu vermeiden – ein dauerhaftes Problem aller Entsalzungssysteme.

Am Ende des Prozesses kann leicht salzigeres Meerwasser zurück ins Meer geleitet werden, und destilliertes Wasser, das nicht zu Wasserstoff umgewandelt wurde, kann als sauberes Trinkwasser verwendet werden.

„Das Design war herausfordernd, weil es viele komplexe Kopplungen gibt: Entsalzung gekoppelt mit Elektrolyse, Elektrolyse gekoppelt mit dem Solarpanel und das Solarpanel gekoppelt mit Entsalzung durch solar‑, elektrischen, chemischen und thermischen Energie‑Umwandlungs‑ und Transportprozessen.“

Lenan Zhang – Assistenzprofessor an der Cornell Engineering

Prototyp testen

Bei den Tests ihres hybriden Solar‑Destillations‑Wasser‑Elektrolyse‑Geräts (HSD‑WE) stellten die Forscher fest, dass die kleine Zelle von 10 cm × 10 cm 200 ml Wasserstoff pro Stunde mit einer Energieeffizienz von 12,6 % direkt aus Meerwasser unter natürlichem Sonnenlicht erzeugen kann.

Der Test wurde im Freien durchgeführt, mit echtem Meerwasser und realistischen Wetterbedingungen, wobei insbesondere bewölktes Wetter die Wasserstoffproduktion zu einem Tageszeitpunkt reduzierte.

Wirtschaftliche Tragfähigkeit

Die Forscher berechneten, wie viel Wasserstoff ihr Prototyp an verschiedenen Standorten produzieren würde. Im Vergleich zum aktuellen Durchschnitt von 10 $/kg für grünen Wasserstoff wird deutlich, dass es nach dem ersten Betriebsjahr deutlich effizienter ist, auf 5 $/kg bei dreijährigem Betrieb und 1 $/kg bei 15‑jährigem Betrieb sinkend.

Dies liegt daran, dass die traditionellen Kosten für grünen Wasserstoff schnell ein Plateau erreichen, begrenzt durch Energie‑ und Kapitalkosten.

Im Vergleich zum klassischen Elektrolyseur ist das HSD‑WE größtenteils passiv und bezieht seine Energie direkt von der Sonne, ohne zusätzliche Kapitalkosten für Anschluss, Wassertransport, Speicherung usw.

„Wir wollen CO₂‑Emissionen vermeiden, Verschmutzung verhindern. Gleichzeitig achten wir auf die Kosten, denn je niedriger die Kosten, desto höher das Marktpotenzial für eine großflächige Einführung. Wir glauben, dass ein enormes Potenzial für zukünftige Installationen besteht.“

Lenan Zhang – Assistenzprofessor an der Cornell Engineering

Unternehmen Löst Wasserknappheit

Xylem Inc.

(XYL )

Zusammen mit dem europäischen Unternehmen Veolia ist Xylem ein globaler Marktführer in der Wasseraufbereitung, Abwasserbehandlung und Entsalzung. Das Unternehmen beschäftigt über 23 000 Mitarbeitende (davon mehr als 6 000 Ingenieure) und ist in 150 Ländern aktiv, mit Schwerpunkt in den USA und über 35 000 direkten Industriekunden.

Der Hauptmarkt ist die kommunale Trink‑ und Abwasserversorgung, doch Xylem bietet auch spezialisierte Lösungen für andere Sektoren wie Gesundheitswesen, Energie, Lebensmittel & Getränke, Öl & Gas, Mikroelektronik usw.

Quelle: Xylem

Xylem kann die kritischen patentierten Geräte bereitstellen, um Wasser zu reinigen oder zu produzieren, wie Ozon‑Generatoren, UV‑Lampen, Entsalzungs‑Membranen, Ultra‑rein‑Wasser‑Generatoren usw. Zusätzlich liefert das Unternehmen „einfachere“ Ausrüstungen, die für wasserbezogene Prozesse ebenso wichtig sind, wie Turbinen, Pumpen, Rohrleitungen, Injektion, Software usw., sowie Wartungs‑, Reparatur‑ und Installationsdienste.

Quelle: Xylem

Der Wassermarkt ist nach wie vor stark fragmentiert; Xylem ist eines der größten Unternehmen im Sektor, hält jedoch „nur“ einen Marktanteil von 10 % des adressierbaren Marktes von 80 Mrd. $.

Das Unternehmen investiert rund 4 % seines Umsatzes in Forschung & Entwicklung. Es dürfte von neuen Vorschriften zu PFAS (Per‑ und polyfluorierte Alkylsubstanzen, auch „Forever Chemicals“ genannt) profitieren, da über 6 000 Versorgungsbetriebe entsprechende PFAS‑Behandlungen benötigen.

Insgesamt macht dies das Investitionsprofil des Unternehmens weniger zu dem eines typischen Industrieunternehmens (oft konjunkturell) und mehr zu dem eines Versorgungsunternehmens, das mit der Gesamtwirtschaft wächst oder leicht darüber liegt, wie die meisten seiner Kunden.

Neueste Informationen zu Xylem Inc.

Referenzierte Studien:

  1. Xuanjie Wang, et al. (2025) “Über 12 % Effizienz bei solarbetriebener grüner Wasserstoffproduktion aus Meerwasser”. Energy Environ. Sci., 2025, Vorschauartikel. https://doi.org/10.1039/D4EE06203E

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Jonathan ist ein ehemaliger Biochemiker-Forscher, der in der genetischen Analyse und klinischen Studien tätig war. Er ist jetzt ein Börsenanalyst und Finanzautor mit Fokus auf Innovation, Marktzyklen und Geopolitik in seiner Publikation The Eurasian Century.