Nachhaltigkeit

Wasserstoff und Süßwasser aus Meerwasser? Eine solarbetriebene Lösung entsteht

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Auf die Nachfrage nach Wasser und Wasserstoff antworten

Unter den am häufigsten benötigten Ressourcen in vielen Regionen der Welt mit wachsender Bevölkerung ist Süßwasser. Dies ist ein wachsendes Problem und potenziell ein Faktor der geopolitischen Instabilität, mit zum Beispiel der Diskussion darüber, wer das Wasser des Nils nutzen darf, die Ägypten und Äthiopien fast zum Krieg gebracht hat.

Während Entsalzungsverfahren immer häufiger werden, sind sie sehr energieintensiv, und selbst die Massenverteilung von Solarpaneelen reicht oft nicht aus.

Ein weiteres Problem ist, dass wir mehr erneuerbare Energie in einer Form benötigen, die gespeichert und als Kraftstoff für schwere Maschinen und die Industrie verwendet werden kann. Theoretisch wäre Wasserstoff eine gute Option, aber er wurde bisher nicht im großen Maßstab eingesetzt, da die Kosten zu hoch sind.

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

Es scheint, dass beide Probleme gleichzeitig durch eine neue solarbetriebene Elektrolysetechnologie gelöst werden können, die nicht frisches Wasser, sondern Meerwasser verwendet. Sie produziert sogar Süßwasser als Nebenprodukt der Wasserstoffgewinnung.

Sie wurde von Forschern an der Johns Hopkins University, der Michigan State University, der Cornell University, der Lehigh University und dem MIT erfunden, die ihre Ergebnisse im Journal Energy & Environmental Science unter dem Titel “Über 12% Effizienz solarbetriebene grüne Wasserstoffproduktion aus Meerwasser” veröffentlichten.

Meerwasser nützlich machen

Meerwasser ist vielleicht die häufigste Ressource auf der Erde, die 70% der Oberfläche des Planeten bedeckt. Es ist auch leicht zugänglich für die meisten der Weltbevölkerung, da mehr als 40% innerhalb von 100 km (62 Meilen) von der nächsten Küste und mehr als 50% innerhalb von 200 km (124 Meilen) leben.

“Deswegen haben wir diese Technologie entwickelt. Wir dachten: ‘OK, was ist die häufigste Ressource auf der Erde?’ Solarenergie und Meerwasser sind im Grunde unendliche und kostenlose Ressourcen.”

Lenan Zhang – Assistant Professor an der Cornell Engineering

Leider ist Meerwasser salzig und für den menschlichen Verzehr und die Bewässerung von Feldfrüchten nicht geeignet. Deswegen werden alternative Süßwasservorräte in trockenen Regionen in Betracht gezogen, wie zum Beispiel Atmosphärische Wassergewinnung oder bessere Behandlung von Abwasser.

Trotzdem ist Entsalzung wahrscheinlich die einzige dauerhafte Lösung, um vielen Ländern reichlich Wasser zur Verfügung zu stellen. Da diese Länder oft in sonnigen Regionen liegen, ist solarbetriebene Entsalzung, entweder durch Ionmembranen oder direkte Verdampfung, eine potenzielle Lösung. Die Fixkosten dieser Systeme machen jedoch die Produktion von Wasser ziemlich teuer.

“Wasser und Energie sind beide für unser tägliches Leben kritisch notwendig, aber typischerweise muss man, wenn man mehr Energie produzieren will, auch mehr Wasser verbrauchen.

Andererseits benötigen wir Trinkwasser, da zwei Drittel der Weltbevölkerung unter Wasserknappheit leiden.”

Lenan Zhang – Assistant Professor an der Cornell Engineering

Als Nebenbemerkung ist Meerwasser auch keine geeignete Quelle für die Wasserstoffgewinnung, da dafür ultra-reines (destilliertes) Wasser benötigt wird.

Bessere Nutzung von Sonnenlicht

Bisher hat die Wirtschaftlichkeit der Entsalzung das Problem, dass man große und teure Solarkollektoren bauen muss, während man gleichzeitig Wasser so billig wie möglich produzieren will.

Was die Forscher dieser Studie taten, war, diese Anlagen so zu gestalten, dass sie etwas Wertvolleres (Wasserstoff) produzieren, während sie gleichzeitig Wasser herstellen.

Als Regel können photovoltaische Anlagen nur einen Teil der Solarenergie nutzen, da 100% Effizienz unmöglich ist und einige der Wellenlängen zu kurz oder zu lang sind, um von den Silizium-Solarmodulen genutzt zu werden.

Dies lässt viel Solarenergie in photovoltaischen Anlagen ungenutzt. Schlimmer noch, diese Solarenergie erzeugt Wärme, die die Effizienz der Solarmodule weiter verringert (die meisten Designs funktionieren am besten unter 30°C (86°F)).

Alles auf einmal tun

Da diese Probleme unmöglich einzeln zu lösen scheinen, zumindest auf eine wirtschaftlich konkurrierende Weise, könnte die Lösung ein holistischerer Ansatz sein. Mit diesem Konzept im Hinterkopf betrachteten die Forscher mögliche Synergien, wenn dieselbe Vorrichtung gleichzeitig Strom, Wasserstoff und Süßwasser produziert, nur mit Sonnenlicht und Meerwasser.

Das Design, das sie entwickelten, zielt darauf ab, jedes Problem auf einmal zu lösen, indem jede Einschränkung eines bestimmten Teilprozesses zur Lösung für ein anderes Problem wird:

  • Wasserstoff- und Süßwasserproduktion werden in derselben Vorrichtung durchgeführt, um die Kapitalkosten zu teilen und das gesamte Solarspektrum zu nutzen.
  • Das Wasser stammt aus Meerwasser, was die Ressourcenbeschränkungen für die Wasserstoffproduktion beseitigt.
  • Die Produktion von ultra-reinem Süßwasser absorbiert Wärme, hält die Solarmodule kühl und erhöht die Stromproduktion.
  • Meerwasser kommt nie mit dem Elektrokatalysator in Berührung, der Wasserstoff produziert, was Probleme der Korrosion und unerwünschter chemischer Reaktionen beseitigt.
  • Da die Energie direkt für die Wasserstoffproduktion in der gleichen Vorrichtung genutzt wird, ist kein Bedarf an Batterien, Upgrades des Stromnetzes usw. vorhanden.

Fortgeschrittene Fertigung

Obwohl das Konzept einfach erscheint, ist es eine echte Herausforderung, all diese Operationen gleichzeitig effizient durchzuführen.

Der Verdampfer und der PEM-Elektrolyseur sind durch eine Luftlücke getrennt, die den direkten Kontakt zwischen Meerwasser und Elektrokatalysatoren vermeidet.

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

  • Verwendung einer Kapillarwolle, die das Wasser in eine dünne Schicht einschließt, die in direktem Kontakt mit dem Solarmodul steht, um es mit Verdampfung zu kühlen.
  • Ausnutzen des thermischen Effekts, um den Dampfdruck zu erhöhen, was für höhere Produktionsraten von destilliertem Wasser und effiziente Wasserstoffgewinnung erforderlich ist.
  • Verwendung der bei der Phasenänderung von Dampf zu Flüssigkeit freigesetzten Energie, um die Effizienz der Wasserstoffproduktion zu verbessern.
  • Verwendung eines einseitigen Meerwasserflusses, um Salzansammlung zu vermeiden, was ein dauerndes Problem für alle Entsalzungsanlagen ist.

Am Ende des Prozesses kann Meerwasser, das ein wenig salziger ist, ins Meer zurückgeleitet werden, und destilliertes Wasser, das nicht in Wasserstoff umgewandelt wurde, kann als sauberes Trinkwasser verwendet werden.

“Das Design war herausfordernd, weil es eine Vielzahl von komplexen Kopplungen gibt: Entsalzung gekoppelt mit Elektrolyse, Elektrolyse gekoppelt mit dem Solarmodul und das Solarmodul gekoppelt mit Entsalzung durch solare, elektrische, chemische und thermische Energieumwandlung und -transport.”

Lenan Zhang – Assistant Professor an der Cornell Engineering

Testen des Prototyps

Als die Forscher ihre Hybrid-Solardestillations-Wasser-Elektrolyse-Vorrichtung (HSD-WE) testeten, fanden sie heraus, dass die kleine 10 cm x 10 cm Zelle 200 Milliliter Wasserstoff pro Stunde produzieren konnte, mit 12,6% Energieeffizienz, direkt aus Meerwasser unter natürlichen Sonnenlichtbedingungen.

Der Test wurde im Freien durchgeführt, mit echtem Meerwasser und realistischen Wetterbedingungen, insbesondere mit bewölktem Wetter, das die Wasserstoffproduktion zu einem bestimmten Zeitpunkt des Tages verringerte.

Wirtschaftliche Machbarkeit

Die Forscher berechneten, wie viel Wasserstoff ihr Prototyp an verschiedenen Orten produzieren würde. Im Vergleich zum aktuellen Durchschnitt von 10 $/kg für grünen Wasserstoff ist es klar, dass es viel effizienter ist, nach dem ersten Jahr des Betriebs, mit 5 $/kg nach drei Jahren und 1 $/kg nach 15 Jahren.

Dies liegt daran, dass die Kosten für traditionellen grünen Wasserstoff schnell auf einem Plateau bleiben, begrenzt durch Energie- und Kapitalkosten.

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

“Wir wollen Kohlenstoffemissionen vermeiden, Verschmutzung vermeiden. Gleichzeitig kümmern wir uns auch um die Kosten, denn je niedriger die Kosten sind, desto höher ist das Marktpotenzial für eine großflächige Einführung. Wir glauben, dass es ein enormes Potenzial für zukünftige Installationen gibt.”

Lenan Zhang – Assistant Professor an der Cornell Engineering

Unternehmen, das Wasserknappheit löst

Xylem Inc.

(XYL )

Zusammen mit dem europäischen Veolia ist Xylem ein weltweiter Marktführer in der Wasseraufbereitung, Abwasserbehandlung und Entsalzung. Es beschäftigt 23.000+ (davon 6.000+ Ingenieure) Menschen und operiert in 150 Ländern, mit Schwerpunkt auf den USA, mit 35.000+ direkten industriellen Kunden.

Sein Hauptmarkt ist die kommunale Trink- und Abwasseraufbereitung, aber es bietet auch spezielle Lösungen für andere Branchen wie Gesundheitswesen, Energie, Lebensmittel und Getränke, Öl und Gas, Mikroelektronik usw.

Quelle: Xylem

Xylem kann kritische patentierte Ausrüstungen zur Wasseraufbereitung oder -produktion wie Ozongeneratoren, UV-Lampen, Entsalzungsmembranen, Ultra-Reinwasser-Generatoren usw. bereitstellen. Aber es bietet auch “einfachere” Ausrüstungen, die gleichzeitig kritisch für die Wasseraufbereitung sind, wie Turbinen, Pumpen, Rohre, Injektion, Software usw. sowie Wartungs-, Reparatur- und Installationsdienstleistungen.

Quelle: Xylem

Der Wassermarkt ist immer noch ein sehr fragmentierter Markt, mit Xylem als einem der größten Unternehmen in diesem Sektor, aber immer noch nur mit einem Marktanteil von 10% von seinem adressierbaren Markt von 80 Mrd. $.

Das Unternehmen gibt etwa 4% seiner Verkäufe für Forschung und Entwicklung aus. Es sollte von neuen Vorschriften bezüglich PFAS (Per- und polyfluorierte Alkylsubstanzen, oder “Forever-Chemikalien”) profitieren, mit 6.000+ Versorgungseinrichtungen, die eine solche PFAS-Behandlung benötigen.

Insgesamt macht dies das Investitionsprofil des Unternehmens weniger wie das eines Industrieunternehmens (oft zyklisch) und mehr wie das eines Versorgungsunternehmens, das mit der gesamten Wirtschaft oder einem little bit darüber wächst, wie die meisten seiner Verbraucher.

Neuestes von Xylem Inc.

Studien, die zitiert werden:

1. Xuanjie Wang et al. (2025) “Über 12% Effizienz solarbetriebene grüne Wasserstoffproduktion aus Meerwasser”. Energy Environ. Sci., 2025, Advance Article. 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.