Fortschritte bei der Wasserstoffproduktion mit nickelbasierten Elektrolyseverfahren

Weiterentwicklung der Elektrolyse zur Wasserstoffproduktion

Wasserstoff gilt als ernstzunehmender Kandidat zum Ersatz fossiler Brennstoffe. Das gilt im Verkehr dank Brennstoffzellen und in industriellen Prozessen, bei denen die hohe Verbrennungstemperatur von Wasserstoff Kohle und Erdgas ersetzen kann, wenn eine Elektrifizierung nicht möglich ist.

Ein Problem besteht darin, dass Wasserstoff nicht häufig in leicht zugänglichen natürlichen Lagerstätten wie Erdgas vorkommt. Stattdessen muss er künstlich erzeugt werden, wobei die Elektrolyse die am häufigsten verwendete Methode ist.

Elektrolyse ist die Aufspaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff. Zu den Problemen der derzeitigen Elektrolyse gehören geringe Effizienz (Energieverschwendung) und hohe Kosten, hauptsächlich wegen teurer Katalysatoren wie Platin.

Ein Forschungsteam aus Korea könnte einen Weg gefunden haben, sowohl die Effizienz zu steigern als auch die teuren Katalysatoren durch viel günstigeren und reichlich vorhandenen Nickel zu ersetzen.

Nickel‑Nanoarrays steigern die Wasserstoffproduktion

Die Forscher des Teams von Professor Jong Kyu Kim aus der Abteilung für Materialwissenschaft und -technik an der POSTECH (Pohang University, Korea) haben versucht, ein zentrales Problem der Wasserstoffelektrolyse zu lösen.

Quelle: POSTECH

Das Problem besteht darin, dass der produzierte Wasserstoff am Katalysator „kleben“ bleibt, wodurch er nicht mehr Wasser erreichen und weiterarbeiten kann. Das verringert die Effizienz, erhöht den Energiebedarf und erfordert letztlich teurere Katalysatoren als nötig.

Stattdessen haben Prof. Jong Kyu Kim und sein Team fein gearbeitete, nicht vollständig vertikal ausgerichtete Nanorod‑Protrusionen aus Nickel geschaffen. Die Nanostruktur und der geneigte Winkel der Nickelstäbe zeigen, was als Superaerophobie bezeichnet wird und dazu führt, dass sich die Wasserstoffblasen leichter lösen.

Dadurch wird der Raum frei, damit Wasser den Katalysator erreichen kann, was zu einer effizienteren Elektrolyse führt.

Quelle: POSTECH

Dies kann die Effizienz des Prozesses dramatisch steigern, mit einer bemerkenswerten 55‑fachen Verbesserung der Wasserstoffproduktions‑Effizienz im Vergleich zu einer gleichwertigen Menge Nickel in einer herkömmlichen Dünnschichtstruktur.

Erweiterung über Nickel‑Katalysatoren hinaus

Die Technologie verwendet Nanorods aus Nickel, muss jedoch nicht auf dieses Metall beschränkt sein. Tatsächlich können diese schrägen Nanorods, die die Wasserstoffhaftung reduzieren, theoretisch mit jedem anderen Katalysator eingesetzt werden. Was bedeutet das also für die Wasserstoffperspektiven?

Bessere Elektrolyse

Derzeit wird der meiste Wasserstoff der Welt aus Erdgas hergestellt. Das ist wirtschaftlich profitabler, untergräbt jedoch den Zweck, Wasserstoff zur Reduzierung von CO₂-Emissionen zu produzieren.

Um wirklich kohlenstoffneutrales Wasserstoff zu erhalten, muss er aus Strom erzeugt werden, der aus erneuerbaren Quellen stammt – meist als „grüner Wasserstoff“ bezeichnet.

Jede Methode, die die Gesamtkosten der Lieferkette für grünen Wasserstoff senken kann, bringt uns einen Schritt näher daran, ihn zu einer praktikablen Alternative zu fossilen Brennstoffen zu machen.

Dies könnte für „klassische“ hocheffiziente, kostenintensive Platin‑Katalysatoren gelten, möglicherweise in Kombination mit den Nickelstäben.

Es könnte auch möglich sein, dies auf andere kürzlich entdeckte kostengünstige Elektrolysekatalysatoren anzuwenden, wie Ruthenium, Silizium und Wolfram (RuSiW), die wir in unserem Artikel „Grüner Wasserstoff wird grauen Wasserstoff ersetzen, da neue Elektro‑Katalysatoren die Produktionskosten senken“ behandelt haben.

Bessere Wasserstoff‑Lieferkette

Elektrolyse ist nur einer der Schritte, die verbessert werden können, um Wasserstoff zu einem Eckpfeiler unserer Energiesysteme zu machen.

Zum Beispiel könnten bessere Brennstoffzellen Wasserstofffahrzeuge zu starken Konkurrenten von Elektroautos machen, worüber wir in unserem Artikel „Sind Batteriezellen nur Vorläufer für Wasserstoff‑Brennstoffzellen? Die wahre nächste Generation von E‑Fahrzeugen?“ diskutiert haben.

Und effizientere großskalige Speicherlösungen können Wasserstoff wesentlich einfacher handhabbar und verteilbar machen, worüber wir in unserem Artikel „Wasserstoff wurde durch Durchbruch in der Einschließung als Energiequelle attraktiver“ gesprochen haben.

Mögliche weitere Anwendungen

Der Einsatz schräger Nanorods zur Erzeugung von Superaerophobie könnte über Wasserstoff hinaus Anwendungen finden.

Der erste Effekt ist, dass mit günstiger und effizienter Wasserstoffproduktion auch eine ebenso effiziente Ammoniakproduktion einhergeht. Ammoniak hat einige bedeutende Vorteile gegenüber Wasserstoff für Anwendungen wie Treibstoff für die Schifffahrt, worüber wir in „Entkarbonisierung globaler Schifffahrtsrouten durch grünes Ammoniak“ gesprochen haben.

Professor Jong Kyu Kim erwähnte außerdem, dass die Nanorod‑Technologie anderen chemischen Prozessen, die Gase involvieren, zugutekommen könnte.

„Durch die Steigerung der Effizienz des Wasser‑Elektrolyse‑Prozesses für die Produktion von grünem Wasserstoff kommen wir einer Wasserstoff‑Wirtschaft und einer kohlenstoffneutralen Gesellschaft näher.

Dieser Durchbruch kommt der Wasser‑Elektrolyse zugute und birgt Potenzial für verschiedene andere erneuerbare Energie‑Anwendungen, bei denen Oberflächenreaktionen eine entscheidende Rolle spielen, wie die Kohlendioxid‑Reduktion und Systeme zur Umwandlung von Lichtenergie.“

Diese Innovation könnte also über Wasserstoff hinausgehen und einen ernsthaften Einfluss auf die Kohlenstoffabscheidung und künstliche Photosynthese haben, eine Idee, die wir in „Künstliche Photosynthese und Biologische Abbaubarkeit: Bekämpfung der Plastikplage mit Nachhaltigkeit im Blick“ zu erforschen begonnen haben.

Unternehmen für Wasserstofflösungen

1. Aker Horizons ASA

Die Entdeckung, wie man Nickel‑Nanorods einsetzen kann, ist nur die neueste in einer Reihe von Innovationen, die die Aussichten von Wasserstoff als alternativen Kraftstoff und Energiespeicherlösung verbessern. Daher könnte es sich lohnen, ein diversifiziertes Engagement in allen Stufen der Wasserstoff‑Lieferkette zu haben.

Aker Horizons ist eine Tochtergesellschaft der Aker-Gruppe, die sich auf grüne Energie konzentriert. Die Aker-Gruppe ist ein bedeutendes norwegisches Konglomerat, das sich auf erneuerbare Energien sowie Marine‑/Offshore‑Geschäfte fokussiert. Aker Horizons ist die Holdinggesellschaft für mehrere Tochterunternehmen, darunter CO₂‑Abscheidung, grüner Wasserstoff und erneuerbare Energien.

Quelle: Aker

Das Unternehmen ist besonders aktiv in der Erzeugung von Wasserstoff und grünem Ammoniak, mit dem Ziel, die arktische Schifffahrt, insbesondere in Norwegen, zu dekarbonisieren.

Aker Horizons kann die gesamte vertikale Integration von grünem Wasserstoff und Ammoniak abwickeln, von Offshore‑Windkraftanlagen über Wasserstofferzeugung bis hin zur Produktion von grünem Ammoniak.

Es arbeitet außerdem an Projekten wie Abfall‑zu‑Energie in Frankreich, einer Biomasse‑Anlage in Deutschland und CO₂‑Abscheidung im Nahen Osten (Saudi‑Arabien und VAE).

Damit ist es eine gute Aktie für Investoren, die ein breites Engagement im Bereich der grünen Energie suchen, mit einer starken Positionierung im Bereich grünes Ammoniak & Schifffahrt, aber auch anderen erneuerbaren Energien und einer gewissen geografischen Diversifizierung.

2.  Ballard Power Systems Inc.

Wir sind uns noch nicht sicher, welcher Markt für Wasserstoff der Hauptmarkt sein wird. Es könnte die Stromerzeugung und der Autokraftstoff sein, aber es könnte auch auf schwerere Aufgaben beschränkt bleiben, die schwer zu elektrifizieren sind.

Ballard ist ein Brennstoffzellenhersteller und ein Pionier der Technologie mit seinem ersten Brennstoffzellenbus im Jahr 1993.

Das Unternehmen konzentriert sich auf Schwerlastmärkte: Busse, Lkw, Züge/Trams, Schiffe, Bergbau/Bau und Energie. Während Busse das Kerngeschäft waren, erwartet das Unternehmen, dass Lkw bis 2025 ein wichtiges Geschäftsfeld werden. Es rechnet außerdem damit, dass Europa weiterhin sein Hauptmarkt bleibt (50‑60 %), gefolgt von Nordamerika (25 %).

Brennstoffzellen für Lkw 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 Produktionskosten für Wasserstoff dank neuer Technologien wie verbesserter und günstigerer Elektrolyse 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. Es reduziert zudem den Bedarf an Oberleitung für Bahnen und Oberleitungsbusse.

Quelle: Ballard

Das Unternehmen ist auch mit Ammoniak vertraut, zum Beispiel ein kürzliches Vertragsabschluss mit Amogy, um ihm Brennstoffzellen für seine „Ammoniak‑zu‑Strom‑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 Wasserstoff‑Wirtschaft, ebenso wie der rasch sinkenden Produktionskosten für Wasserstoff durch nickelbasierte Elektrolyse.