Wasserstoff ist durch einen Durchbruch bei der Speicherung als Energiequelle attraktiver geworden

Wasserstoff, das leichteste Element im Universum, wird durch das Symbol H dargestellt. Es hat die Ordnungszahl 1 und ist das am häufigsten vorkommende Element. Es ist das einfachste chemische Element, mit nur einem Proton und einem Elektron, und ist farblos, geschmacklos und geruchlos. 

Interessanterweise trägt Wasserstoff schätzungsweise 75 % der Masse des Universums bei. In der Erdkruste macht er jedoch nur etwa 0,14 % des Gewichts aus. Er kommt natürlich in Verbindung mit anderen Elementen in festen, flüssigen und gasförmigen Verbindungen vor. Kombiniert man ihn mit Sauerstoff, entsteht das brennbare Material Wasser (H2O), und in Kombination mit Kohlenstoff bildet er Kohlenwasserstoffe, die in Erdöl und Kohle vorkommen. Daher kann Wasserstoff aus einer Reihe von Ressourcen gewonnen werden, darunter erneuerbare Energien wie Solar- und Windkraft, Kernenergie und Erdgas. 

Bemerkenswerterweise mehrere Entdeckungen wurden gemacht von natürlich entstehenden Wasserstoffgasvorkommen in Ländern wie Australien, Neuseeland, Kanada, Frankreich, Deutschland, Japan und Russland. Derzeit untersuchen Wissenschaftler das Ausmaß dieser Reserven in diesen Ländern, ihre Herkunft und die potenziellen Auswirkungen auf die umliegenden Umgebungen, falls sie abgebaut werden.

Wasserstoff als Energiequelle

Die gängigsten Methoden zur Herstellung von Wasserstoffkraftstoff umfassen thermische Verfahren, Elektrolyse, photovoltaisch angetriebene Elektrolyse, solarbetriebene Verfahren und biologische Prozesse. 

Thermisch

Im thermischen Verfahren reagiert Dampf mit einem kohlenwasserstoffbasierten Brennstoff wie Diesel, Erdgas, vergastem Kohle oder vergastem Biomasse, um Wasserstoff zu erzeugen. Bemerkenswerterweise wird der Großteil (etwa 95 %) des gesamten Wasserstoffs durch Dampfreformierung von Erdgas hergestellt. 

Elektrolyse

Elektrolyse hingegen beinhaltet die Trennung von Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff. Dieser Prozess findet in einem Elektrolyseur statt und erzeugt Wasserstoff aus Wassermolekülen.

Biologisch

Biologische Prozesse nutzen Mikroben, die mit bloßem Auge nicht sichtbar sind, wie Bakterien, zur Wasserstoffproduktion. 

Solar

Der solarbetriebene Prozess, wie der Name schon sagt, nutzt Licht zur Erzeugung von Wasserstoff auf verschiedene Arten, wie photoelektrochemisch (verwendet spezialisierte Halbleiter, um Wasser in H und O zu trennen), photobiologisch (nutzt die natürliche photosynthetische Aktivität von Bakterien und Grünalgen) und solarthermochemisch (verwendet konzentrierte Sonnenenergie, um Wasserspaltungsreaktionen anzutreiben).

Zusätzlich zu all seinen Eigenschaften ist Wasserstoff ein sauberer Brennstoff, das heißt, er erzeugt nur Wasser, Wärme und Strom, wenn er in einer Brennstoffzelle verbraucht wird. Das macht ihn zu einer attraktiven Option für die Stromerzeugung und den Transport, einschließlich Autos und Raketen. Die energiedichte und speicherbare Substanz, die keine Treibhausgase erzeugt, wurde tatsächlich bereits vor mehr als zwei Jahrhunderten zur Stromversorgung von Verbrennungsmotoren verwendet. 

Dies zeigt, dass Wasserstoff eine der führenden Optionen zur Speicherung erneuerbarer Energie ist und bereits in vielen Branchen eingesetzt wird. Sein wahres Potenzial ist jedoch noch nicht ausgeschöpft. Dafür muss Wasserstoff wirtschaftlich in großem Maßstab produziert werden. Außerdem muss die bestehende Infrastruktur an Wasserstoff angepasst werden, obwohl er durch Gasleitungen transportiert werden kann.

Obwohl wir das Potenzial von Wasserstoff als Brennstoff noch nicht vollständig ausgeschöpft haben, steigt die weltweite Investition in Forschung und Entwicklung, um das volle Potenzial von Wasserstoff als Energiequelle zu erforschen, seit Jahren kontinuierlich. Eine aktuelle Studie hat in der Tat einen bedeutenden Durchbruch erzielt, der die hochdichte Speicherung von Wasserstoff für zukünftige Energiesysteme ermöglicht.

Rahmenwerk zur Speicherung dicht gepackten Wasserstoffs

Im letzten Monat in der Fachzeitschrift Nature Chemistry veröffentlicht, die Studie „Kleinporige hydridische Rahmenwerke speichern dicht gepackten Wasserstoff“, wurde teilweise von der National Research (NRC ) Foundation of Korea (NRF) und der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) finanziert.

Während nanoporöse Materialien viel Aufmerksamkeit für die Gasspeicherung erhalten haben, stellte die Studie fest, dass die Erreichung einer hohen volumetrischen Speicherkapazität weiterhin eine Herausforderung darstellt. Daher haben mehrere Forscher verschiedener Universitäten zusammengearbeitet, um dieses Problem anzugehen.

Michael Hirscher, vom Advanced Institute for Materials Research (WPI-AIMR) der Tohoku-Universität in Japan und dem Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme in Deutschland, entwickelte die ursprünglichen Ideen und leitete das Projekt. Gleichzeitig führte Hyunchul Oh vom Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST) in Korea das Projekt.

Interessanterweise zeigte ein 2022 zusammengestelltes Team von Wissenschaftlern des Max-Planck-Instituts für Intelligente Systeme, des Oak Ridge National Laboratory (DOE) und der Technischen Universität Dresden sowie der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, dass Wasserstoff bei einer sehr niedrigen Temperatur nahe dem Siedepunkt von H2 auf einer Oberfläche kondensiert. Dieser Prozess bildet eine superdichte Monoschicht, die die Dichte von flüssigem Wasserstoff um das Dreifache übertrifft und das Volumen auf nur 5 Liter pro Kilogramm H2 reduziert.

Die aktuelle Studie untersuchte ein Magnesiumborhydrid‑Rahmenwerk mittels Neutronenpulverdiffraktion, inelastischer Neutronenstreuung, volumetrischer Gasadsorption und erstprinzipieller Berechnungen. Das Rahmenwerk besitzt kleine Poren und ein teilweise negativ geladenes nichtflaches Inneres für die Aufnahme von Wasserstoff (H) und Stickstoff (N).

Sowohl Stickstoff als auch Wasserstoff besetzen deutlich unterschiedliche Adsorptionsstellen in den Poren. Sie besitzen zudem sehr unterschiedliche Grenzkapazitäten von 0,66 N2 und 2,33 H2 pro Mg(BH4)2. Mg(BH4)2, erstmals 1950 entdeckt, ist als hochkapazitäres Wasserstoffspeichermaterial bekannt, das sowohl als kristalline Polymorphe mit nanoporösen MOF‑ähnlichen Strukturen als auch als sehr dichte Polymorphe mit extremer volumetrischer Wasserstoffdichte und hoher gravimetrischer Wasserstoffkapazität existiert.

Daher ist molekularer Wasserstoff extrem dicht gepackt, wobei seine Dichte etwa dem Doppelten von flüssigem Wasserstoff entspricht. 

Das Team nutzte anschließend die Neutronenpulverdiffraktion (NPD), um die Position der Wasserstoffatome in der Struktur sowie die Adsorptionsstellen der Moleküle zu bestimmen. 

Die Studie stellte fest, dass ein Penta‑Dihydrogen‑Cluster (Dihydrogen besteht aus zwei Wasserstoffatomen, die durch eine Einfachbindung verbunden sind) gefunden wurde, bei dem H2‑Moleküle an einer Position Rotationsfreiheit besitzen. Im Gegensatz dazu haben H2‑Moleküle an einer anderen Position eine klar definierte Orientierung und eine gerichtete Wechselwirkung mit dem Rahmenwerk. Dies zeigt, dass dicht gepackter Wasserstoff tatsächlich in kleinporigen Materialien bei normalem Atmosphärendruck stabilisiert werden kann.

Mit dieser Erkenntnis hat das Team die Herausforderung der begrenzten Wasserstoffspeicherkapazität erfolgreich gemeistert, indem es fortschrittliche Hochdichte‑Adsorptionstechnologie einsetzte. 

Diese bahnbrechende Entwicklung wurde von Professor Oh aus der Chemieabteilung der UNIST gemeldet. Die innovative Forschung stellt einen bedeutenden Fortschritt für zukünftige Energiesysteme dar. 

Ermöglichung der großskaligen Wasserstoffspeicherung

Bei der Nutzung von Wasserstoff im Verkehr, in stationären und tragbaren Energiesystemen spielt die Speicherung eine Schlüsselrolle. Obwohl das Element die höchste Energie pro Masse besitzt, führt seine niedrige Dichte bei Umgebungstemperatur zu einer geringeren Energie pro Volumeneinheit. Daher sind fortschrittliche Speichermethoden erforderlich, um eine höhere Energiedichte zu erreichen.

Derzeit konzentriert sich die Speichertechnologie hauptsächlich auf die Speicherung von molekularem Wasserstoff in flüssiger oder gasförmiger Form. Natürlich gibt es jedoch Grenzen dieser aktuellen Technologie hinsichtlich der volumetrischen und gravimetrischen (wie viel Energie pro Gramm oder Kilogramm gespeichert werden kann) Speicherdichte.

Die Speicherung von Wasserstoff als Gas erfordert Hochdrucktanks, während für die flüssige Form kryogene Temperaturen nötig sind. Er kann zudem an der Oberfläche oder innerhalb eines Feststoffs durch Absorption gespeichert werden.

Als Molekül kann Wasserstoff physikalisch in einem porösen Material durch schwache Van‑der‑Waals‑Wechselwirkungen (die relativ schwach und nichtionisch sind) mittels Physisorption adsorbiert werden. Dies bezieht sich auf einen Prozess, bei dem Gasmoleküle an einer festen Oberfläche haften. Während hochporöse Materialien zwar eine hohe gravimetrische Wasserstoffaufnahme bieten, sind Verbesserungen der volumetrischen Speicherkapazität erforderlich.

Hier bietet das nanoporöse kubische Magnesiumborhydrid, γ‑Mg(BH4)2, hervorragende Ergebnisse. Es hat eine Dichte von ρ = 0,550 g cm⁻³ und 33 % freies Porenvolumen. Ein Porendurchmesser von etwa 9 Å ermöglicht diesem Stoff die Adsorption kleiner Moleküle wie Wasserstoff oder Stickstoff. Durch die teilweise negativ geladene innere Oberfläche dieses porösen Hydrids werden hydridische Atome den Poren ausgesetzt.

Möglich gemacht durch das Mid‑Career‑Research‑Programm von NFR und dem Ministerium für Wissenschaft und ICT (MSIT), synthetisierte die Studie dieses nanoporöse komplexe Hydrid, das Magnesiumkationen (Mg⁺) und Magnesiumhydrid sowie festes Borhydrid (BH4)₂ enthält.

Das resultierende Material ermöglicht die Speicherung von fünf Wasserstoffmolekülen in einer 3‑D‑Anordnung und erzielt damit eine bemerkenswert hohe Dichte der Wasserstoffspeicherung. Es zeigt zudem eine Wasserstoffspeicherkapazität von 144 g/L pro Porenvolumen, weit über den herkömmlichen Methoden. Beeindruckend ist, dass die Dichte der Wasserstoffmoleküle im Material sogar die des Feststoffzustands übertrifft.

Professor Oh bezeichnete das Material als einen „Paradigmenwechsel“ im Bereich der Wasserstoffspeicherung und sagte, es biete „eine überzeugende Alternative zu herkömmlichen Ansätzen“. 

Diese Entwicklung verbessert die Produktivität und Wirtschaftlichkeit der Nutzung von Wasserstoff als Energiequelle erheblich. Sie adressiert zudem die Herausforderungen der großskaligen Wasserstoffspeicherung für den breiten Einsatz in öffentlichen und privaten Verkehrsapplikationen.

Unternehmen, die von dieser Entwicklung profitieren werden 

Wenn wir über die Branchen sprechen, die von dieser Forschung, die die Wasserstoffspeicherung transformiert, profitieren können, kommen einem zahlreiche Sektoren in den Sinn, darunter Chemie, Energie, Automobil, Ingenieurwesen und Bauwesen. Werfen wir also einen Blick auf einige Unternehmen, die davon profitieren könnten: 

#1. Honda Motor Co., Ltd.

Das japanische Automobilunternehmen hat versprochen, seine CO₂-Emissionen zu reduzieren, und behauptet, zu den ersten Unternehmen zu gehören, die das Potenzial der Wasserstoffenergie fokussieren. 

Um diese Ziele zu erreichen, forscht die Honda Motor (HMC ) Company seit den 1980er‑Jahren an Brennstoffzellentechnologien für verschiedene Anwendungen. 

Anfang dieses Jahres kündigte das Unternehmen an, dass es die Produktion von Wasserstoff‑Brennstoffzellen‑Lösungen in Zusammenarbeit mit General Motors (GM ) (GM) für verschiedene Produktanwendungen und das, was sie „den Beginn der Wasserstoffära“ nennen, aufgenommen hat.

Mit einer Marktkapitalisierung von 64,85 Mrd. $, werden die Aktien des Unternehmens zu 36,93 $ gehandelt, ein Anstieg von 19,22 % seit Jahresbeginn (YTD). Honda Motor hat einen Umsatz (TTM) von 128,49 Mrd. $ erzielt, ein EPS (TTM) von 7,73 und ein KGV (TTM) von 4,77. Das Unternehmen zahlt zudem eine Dividendenrendite von 2,77 %.

#2. Dow Chemical Company

Die Dow Chemical Company ist in verschiedenen Bereichen tätig, darunter Kohlenwasserstoffe & Energie. Kürzlich ging sie eine Partnerschaft mit Linde (NYSE : LIN) ein, um sauberen Wasserstoff und Stickstoff für ihr klimaneutrales integriertes Ethylen‑Cracker‑ und Derivate‑Werk in Kanada zu liefern. Der Deal wurde Ende letzten Jahres für das 6,5‑Mrd.-$‑Projekt abgeschlossen. Im Rahmen des Vertrags wird Linde‑Technologie zur Lufttrennung und auto‑thermischen Reformierung eingesetzt, um das Abgas des Crackers in Wasserstoff umzuwandeln.

Mit einer Marktkapitalisierung von über 39,9 Mrd. $, werden die Aktien von Dow Chemical zu 56,76 $ gehandelt, ein Anstieg von 3,5 % YTD. Dow Chemical hat einen Umsatz (TTM) von 44,62 Mrd. $, ein EPS (TTM) von 0,81 und ein KGV (TTM) von 69,67. Das Unternehmen zahlt zudem eine Dividendenrendite von 4,93 %.

#3. McPhy Energy SA

Das in Frankreich ansässige Unternehmen entwickelt Lösungen zur Wasserstoffproduktion und -speicherung. Im vergangenen Jahr erweiterte McPhy seine kommerzielle Vereinbarung mit Chart Industries, Inc. (NYSE : GTLS), wonach Letzteres wasserstoffbezogene Prozesse und Ausrüstungen für die Wasserstoffkompression und -verflüssigung bereitstellt. 

Kürzlich gewann das führende Unternehmen für Elektrolyseur‑Technologie und -Herstellung einen Auftrag der schwedischen AAK AB, um dessen 800‑30‑Elektrolyseur mit einer Kapazität von 4 MW sowie zugehörige Ersatzteile zu liefern, damit das schwedische Unternehmen Wasserstoff mit geringem CO₂‑Fußabdruck als Prozessgas einsetzen kann.

Mit einer Marktkapitalisierung von 47,18 Mrd. $ (MCPHY‑FR : Euronext Paris) werden die Aktien des Unternehmens zu 1,69 € gehandelt, ein Rückgang von 49,97 % YTD. Es hat ein EPS (TTM) von -0,69 und ein KGV (TTM) von -1. Im vergangenen Monat berichtete McPhy über das Ergebnis des Geschäftsjahres 2023, in dem das Unternehmen ein Umsatzwachstum von +17 % auf 18,8 Mio. € verzeichnete und ein noch stärkeres Wachstum von +25 % im Elektrolyseur‑Geschäft. Außerdem wurde eine Liquiditätsposition von rund 62 Mio. € zum Jahresende Dezember gemeldet.

Fazit 

Der Markt für Wasserstoffenergiespeicherung steht vor einem schnellen Wachstum und wird voraussichtlich in den nächsten acht Jahren die Bewertung von 17,6 Mrd. $ übertreffen, da Regierungen stark in wasserstoffbasierte Infrastruktur investieren, laut Global Market Insights. Besonders das Transportsegment wird voraussichtlich ein signifikantes Wachstum mit einer prognostizierten jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von 10 % verzeichnen, angetrieben durch die Rolle des Wasserstoffs bei der erheblichen Reduzierung von CO₂-Emissionen in der Branche. 

Angesichts des Potenzials von Wasserstoff als sauberere und effizientere Energiequelle wird er nicht nur im Verkehr, sondern auch in anderen Branchen weiter eingesetzt werden. Durch fortlaufende Forschung und neue Erkenntnisse werden wir schließlich eine deutlich breitere Akzeptanz sehen, die uns hilft, Netto‑Null‑CO₂‑Emissionen zu erreichen.

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